There is a need for wind sensors with high accuracy and measurement frequency for deployment on the surface of Mars. The wind data obtained to date have been adversely affected by thermal contamination and calibration issues. Improved data would not only help to constrain and validate theoretical models, but also increase safety and longevity of lander operations. The mechanical and thermal wind sensing techniques used on previous missions, whilst sufficient for basic meteorology, are wholly inadequate for measuring fundamental phenomena such as dust and volatile transport. Two promising technologies, optical and acoustic anemometry, could permit precise and high-frequency measurement of three-dimensional wind speeds on the Martian surface. Ultrasonic acoustic anemometry, which relies on time-of-flight measurements, was ultimately chosen for its lower processing requirements and ability to measure the speed of sound; and therefore temperature. Capacitive transducers were selected for their low impedance and high sensitivity, to maximise signal transmission through the rarefied Martian atmosphere. These transducers, which consist of a metallised polymer film oscillating on top of a contoured metal backplane, were evaluated for their suitability as anemometers on the Martian surface. A theoretical framework was assembled to model transducer performance and determine which factors are the most important in determining received signal amplitude. A pair of transducers were designed and manufactured to allow for testing of a wide range of parameters including thickness of the oscillating membrane and diameter. Tests were carried out on the assembled transducers to investigate the dependence on these parameters, and their behaviour was generally found to fit the assembled theoretical framework well. Transducer performance was highly dependent on roughness depth of the backplanes, as expected. The frequency response of the transducers was dominated by the backplane roughness at atmospheric pressure but by film thickness at low pressures. Cross-correlation of the sent and received signals was confirmed as the most reliable signal detection method at low signal amplitudes. The transducers were tested under simulated Martian conditions (a low-pressure carbon dioxide atmosphere with airborne dust), and found to be capable of accurately and reliably measuring the incident wind speed. The cumulative deposition of airborne dust noticeably reduced received signal amplitude, but further testing is required to determine the effect of significant amounts of dust on transducer performance. The impact of the transducer heads impeding the incident fluid flow was found to be very significant in wind tunnel testing. Preliminary computational models were found to accurately predict these effects, but a more comprehensive modelling campaign and experimental validation would be required to ensure accurate instrument calibration.

This work consists in the development and design of an energy harvesting device to supply power to the new generation pacemakers, miniaturized leadless implants without battery placed directly in heart chambers. After analyzing different mechanical energy sources in the cardiac environment and associated energy harvesting mechanisms, a concept based on regular blood pressure variation stood out: an implant with a flexible packaging that transmits blood forces to an internal transducer. Advantages compared to traditional inertial scavengers are mainly: greater power density, adaptability to heartbeat frequency changes and miniaturization potential. Ultra-flexible 10-µm thin metal bellows have been designed, fabricated and tested. These prototypes acting as implant packaging that deforms under blood pressure actuation have validated the proposed harvesting concept. A new type of electrostatic transducer (3D multi-layer out-of-plane overlap structure with interdigitated combs) has been introduced and fully analyzed. Promising numerical results and associated fabrication processes are presented. Also, large stroke optimized piezoelectric spiral transducers including their complex electrodes patterns have been studied through a design analysis, numerical simulations, prototype fabrication and experimental testing. Apower density of 3 µJ/cm3/cycle has been experimentally achieved. With further addressed developments, the proposed device should provide enough energy to power autonomously and virtually perpetually the next generation of pacemakers.

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

Ce travail consiste à développer un système convertissant une partie de l’énergie mécanique du cœur en électricité pour alimenter les stimulateurs cardiaques de nouvelle génération, implants sans sonde ni batteries implantés directement dans la cavité cardiaque. Après études de différentes sources d’énergies et concept associés, l’option liée à la pression sanguine, appliquant sur une partie souple du boîtier de l’implant des efforts transmis à un transducteur interne les convertissant en électricité, s’est révélée la plus prometteuse. Cette solution présente les avantages principaux suivants par rapport aux systèmes inertiels usuels : grande densité de puissance, adaptabilité au rythme cardiaque et potentiel de miniaturisation. Un boîtier ultra-souple électro-déposé de 10 µm d’épaisseur en forme de soufflet a été modélisé, fabriqué et caractérisé, validant ainsi le concept de récupérateur proposé. Un transducteur électrostatique novateur (3D multicouche à peignes interdigités et à chevauchement hors-plan), étudié par des modélisations analytiques et numériques, est en cours de fabrication. Selon l’électronique associée, ce transducteur promet une grande densité d’énergie extraite. Un transducteur piézoélectrique micro-usiné en forme de spirale et à électrodes micro-structurées, est également présenté. Les défis spécifiques des spirales dontla flexibilité permet d’augmenter l’énergie mécanique d’entrée sont étudiés notamment par simulation numériques, et des prototypes ont été micro-fabriqués et caractérisés. Au final, une énergie de 3 µJ/cm3/cycle est obtenue et de nombreuses perspectives d’amélioration permettent d’envisager une puissance au moins 10 fois supérieure. / This work consists in the development and design of an energy harvesting device to supply power to the new generation pacemakers, miniaturized leadless implants without battery placed directly in heart chambers. After analyzing different mechanical energy sources in the cardiac environment and associated energy harvesting mechanisms, a concept based on regular blood pressure variation stood out: an implant with a flexible packaging that transmits blood forces to an internal transducer. Advantages compared to traditional inertial scavengers are mainly: greater power density, adaptability to heartbeat frequency changes and miniaturization potential. Ultra-flexible 10-µm thin metal bellows have been designed, fabricated and tested. These prototypes acting as implant packaging that deforms under blood pressure actuation have validated the proposed harvesting concept. A new type of electrostatic transducer (3D multi-layer out-of-plane overlap structure with interdigitated combs) has been introduced and fully analyzed. Promising numerical results and associated fabrication processes are presented. Also, large stroke optimized piezoelectric spiral transducers including their complex electrodes patterns have been studied through a design analysis, numerical simulations, prototype fabrication and experimental testing. Apower density of 3 µJ/cm3/cycle has been experimentally achieved. With further addressed developments, the proposed device should provide enough energy to power autonomously and virtually perpetually the next generation of pacemakers.

Les microphones capacitifs sont des transducteurs réciproques dont les qualités (sensibilité, bande passante et tenue dans le temps) en font des instruments de mesure performants. Couramment utilisés jusqu’à présent en récepteurs dans l’air à pression atmosphérique et à température ambiante, dans la gamme de fréquences audibles, ils sont correctement caractérisés dans ce cadre depuis près de trente ans. Mais aujourd’hui, leur miniaturisation (par procédé MEMS) et leur usage nouveau en métrologie fine (en récepteurs comme en émetteurs) - qui exigent une connaissance précise de leur comportement dans des domaines de fréquences élevées (jusqu’à 100 kHz), dans des mélanges gazeux aux propriétés différentes de celles de l’air et dans des conditions de pression et de température beaucoup plus élevées ou beaucoup plus basses que les conditions standards - nécessitent une caractérisation beaucoup plus approfondie, aussi bien en terme de modélisation qu’en terme de résultats expérimentaux. C’est ainsi que ici -i/ les effets des couches limites thermiques (seules les couches limites visqueuses sont habituellement retenues) sont introduits dans le modèle, ce qui amène dans le chapitre premier à une étude analytique de la diffusion thermique en parois minces (dont la portée dépasse le cadre strict du transducteur), -ii/ l’influence des orifices de l’électrode arrière sur la déformée de la membrane est traitée au départ par une méthode analytique originale, qui permet de traduire les conditions en frontière non uniformes sur la surface de l’électrode sous forme de sources locales virtuelles, associées à des conditions de frontière rendues uniformes (chapitre second), -iii/ des solutions analytiques nouvelles, dépendant à la fois des coordonnées radiales et azimutales, sont obtenues pour le champ de déplacement de la membrane et pour les champs de pression dans les cavités du microphone par usage de théories modales compatibles avec les couplages multiples qui y prennent place (troisième chapitre), -iv/ un modèle de « circuit à constantes localisées » (reporté pour l’essentiel en annexe) est proposé, à des degrés divers de précision, qui permet en particulier d’accéder de façon simple à la sensibilité et au bruit thermique du microphone (fin du quatrième chapitre), -v/ une étude au vibromètre laser à balayage a été réalisée (début du quatrième chapitre), qui permet non seulement de mettre en évidence pour la première fois les déformées de membrane complexes qui apparaissent en hautes fréquences, mais encore de les quantifier et par-delà de valider les résultats théoriques obtenus et donc les modèles proposés (même s’ils restent perfectibles comme indiqué dans la conclusion). / Condenser microphones are reciprocal transducers whose properties (sensitivity, bandwidth and reliability) make them powerful measurement tools. So far, they have been commonly used as receivers in the audible frequency range, in air at atmospheric pressure and ambient temperature, they have been appropriately characterised in this context for nearly thirty years. But nowadays, their miniaturisation (using MEMS processes) and their new use for metrological purposes (as receivers as well as transmitters) require much deeper theoretical and experimental characterisations because they require an accurate knowledge of their behaviour in high frequency ranges (up to 100 kHz), in gas mixtures, whose properties differ from those of air, and under pressure and temperature conditions much higher or much lower than standard conditions. Thus, here, -i/ the effects of the thermal boundary layers are introduced in the model (only viscous boundary layers are usually accounted for), leading, in the first chapter, to an analysis of the thermal diffusion of thin bodies (whose scope is beyond the strict frame of capacitive transducers), ii/ the influence of the holes in the backing electrode on the dynamic behaviour of the membrane is initially handled with an original analytical method which allows expressing the non-uniform boundary conditions at the surface of the backing electrode as fictitious localised sources associated to uniform boundary conditions (second chapter), -iii/ new analytical solutions, depending both on the radial and azimuthal coordinates, for the pressure field and for the displacement field inside the cavities behind the membrane are expressed using modal theories in agreement with the strong couplings which occur between the different parts of the transducer (chapter three), -iv/ "lumped element circuits", which are more or less approximated (presented in the Appendix), more particularly result in expressing and assessing the sensitivity and the thermal noise (end of chapter three), -v/ experimental results, obtained from measurements of the displacement field of the membrane using a laser scanning vibrometer, both highlight and quantify for the first time the complex behaviour of the membrane in the highest frequency range, and finally lead to the validation of the theoretical results and therefore, the models presented here (even if the latter may still be improved as outlined in the conclusion).