L'objectif de cette thèse est une étude théorique et expérimentale dun concept original de détection. Le principe de détection, qui était développé dans le manuscrit, consiste à exploiter leffet de résonance de plasmons de surface (SPR) pour contrôler un mouvement mécanique induit dans un transducteur primaire par un stimulus à détecter.

Le présent travail est une contribution au domaine de la récupération de l’énergie. La conversion mise en place est faite à échelle centimétrique, les puissances électriques produites étant suffisantes pour alimenter des dispositifs à basse consommation, comme par exemple les capteurs sans fil. Une technologie innovante pour la récupération de l’énergie thermique est proposée, l’objectif étant de fabriquer des dispositifs fins, flexibles et bas coût pour une utilisation sans radiateur. Le fonctionnement choisi repose sur une conversion de la chaleur en électricité en deux étapes : thermomécanique (réalisée avec des bilames thermiques) et mécano-électrique (réalisée avec des piézoélectriques). Plusieurs prototypes ont été élaborés, aboutissant à des dispositifs matriciels flexibles, d’une épaisseur de quelques millimètres et fonctionnant sans radiateur avec refroidissement par convection naturelle. Les signaux générés sont des pics de tension qui dépassent les 10 V, pour une puissance mécanique disponible autour de 200 µW à 75°C. Plusieurs études ont été réalisées pour l'optimisation des dispositifs et la caractérisation de leurs composants. Leurs lois d’échelle ont été déduites, prédisant un gain en puissance avec la miniaturisation. Des modèles ont été proposés pour le comportement du piézoélectrique et pour le comportement thermique d’un dispositif. Les premiers cas d’usage ont été identifiés et les premiers tests ont été faits dans les environnements proposés par des potentiels utilisateurs. / The present work is a contribution to the domain of energy harvesting. The developed conversion is made at centimeter scale, and the generated electrical power is sufficient for low power devices, as for example wireless sensor nodes. An innovative technology for heat energy harvesting is proposed, with the goal to fabricate thin, flexible, and low cost devices for a use without a heat sink. Their working principle relies on a two-step conversion of heat into electricity: thermo-mechanical (with thermal bimetals) and mechanoelectrical (with piezoelectrics). Several prototypes have been built, resulting in flexible matrix devices that are a few millimeters thick and work without a heat sink with natural convection. The generated signals are voltage peaks above 10 V, for an available mechanical power in the order of 200 µW around 75°C. Several studies have been done for the optimization of the devices and the characterization of their components. Scale laws have been established, and predict significant power gain with miniaturization. Analytical models have been elaborated for the behavior of the piezoelectric and for the thermal behavior of a device. The first use cases have been identified, and the first tests have been performed in environments proposed by potential end users.

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

Ce travail de thèse porte sur la réalisation de MEMS organiques dans un dispositif original, le microévaporateur, couplant la technique MIMIC (Micromolding in Capillaries) à la pervaporation microfluidique. Il est expliqué comment le phénomène de pervaporation peut être utilisé pour concentrer des solutions polymériques diluées jusqu'à l'obtention de matériaux composites dans des géométries de dimensions typiques 25 μm x 100 μm x 10 mm. Il a été montré qu'il est possible d'établir des modèles décrivant cette croissance en excellent accord avec l'expérience et l'étude de l'influence de différents paramètres (concentration, géométrie...) sur la croissance a alors permis de prédire les vitesses de croissance des matériaux composites. Deux systèmes ont été réalisés à partir de ces derniers, associés à deux effets : l'effet bilame thermique et l'effet piezorésistif mettant en avant une preuve de concept d'une nouvelle voie de fabrication des MEMS organiques : la voie microfluidique. Un dispositif plus complexe comprenant également des vannes microfluidiques a permis de programmer des matériaux à gradients de composition dans la longueur de divers matériaux allant des cristaux colloïdaux aux matériaux polymères. / This work deals with the making of organic MEMS within an original device, the microevaporator, coupling the MIMIC technique (Micromolding in Capillaries) and microfluidic pervaporation. It is shown how the pervaporation phenomenon can be used to concentrate polymeric diluted solutions until we obtain composite materials into geometries with typical dimensions about 25 μm x 100 μm x 10 mm. We showed that it is possible to establish models which describe this growth in excellent agreement with experiments and the study of the influence of different parameters (concentration, geometry...) upon the growth thus allowed us to predict the growth velocities of those composite materials. Two systems have been made associated to two effects : bimetallic strip effect and piezoresistive effect in order to demonstrate a new proof of concept of a new way to make organic MEMS using microfluidics. A more complex device including microfluidic valves allowed us to encode materials with a gradient of composition within their largest dimension from colloidal cristals to polymeric materials.