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]

La récupération d’énergie thermique peut être réalisée par de nombreuses techniques de transduction d’énergie. Les techniques directes de conversion d’énergie thermique en énergie électrique sont généralement les technologies les plus utilisées. Lorsque des générateurs miniaturisés son requis, des méthodes directes de conversion présentent des difficultés, y compris la nécessité des dissipateurs de chaleur volumineux ou la forte dépendance aux fluctuations de température rapides. Donc, les méthodes de conversion indirecte, comme la conversion d’énergie thermique à mécanique et puis mécanique à électrique sont présentées comme des alternatives aux récupérateurs d’énergie. Cette technologie ouvre une nouvelle ligne de recherche pour surmonter les contraintes des récupérateurs d’énergie à petite échelle. Même si leur rendement est relativement faible en raison des pertes liées aux étapes de conversion d’énergie, les générateurs d’énergie basés sur l’effet thermomagnétique présentent une densité de puissance élevée lors de leur miniaturisation. Néanmoins, peu de recherches sur la récupération d’énergie thermomagnétique à petite échelle ont été menées et aucune étude de faisabilité industrielle n’a été signalée jusqu’à présent. Ces travaux présentent la conception d’un générateur capable de convertir de faibles et de lentes fluctuations de température ambiante en électricité. L’effet thermomagnétique d’un matériau magnétique doux, à savoir l’alliage de fer et de nickel (FeNi) ainsi que la piézoélectricité sont la base de fonctionnement du dispositif. Cette thermo-magnétisation entraîne la conversion d’énergie thermique, sous la forme de fluctuations temporelles, en vibrations mécaniques d’une structure. La structure consiste en un bimorphe piézoélectrique (PZT). Le générateur a deux positions stables; la position ouverte et celle fermée. En modifiant la température de FeNi, l’interaction entre deux forces du système (forces magnétique et mécanique) amène le générateur à l’une de ses deux commutations. La température de Curie du FeNi étant proche de la température ambiante, des applications comme des dispositifs connectés portables peuvent être ciblées. Un modèle analytique est développé. Donc, une conception rapide du générateur est réalisée pour répondre aux cahiers des charges tels que: la température d’opération, la plage de températures, la réponse thermique, les capacités de conversion piézoélectrique, etc. De plus, des règles de conception ont été dérivées envers la réduction de la taille du générateur. Des modélisations par éléments finis sont développés sous ANSYS afin de valider notre modèle analytique simplifié. Ces modèles permettent aux concepteurs d’explorer d’autres matériaux et de faire des améliorations en utilisant des processus d’optimisation de la conception. Des prototypes des récupérateurs d’énergie atteignent des densités de puissance de 0.6μWcm^−3 pendant des commutations d’ouverture à 40°C et 0.02μWcm^−3 pendant des commutations de fermeture à 28°C. En réduisant la taille du générateur, des commutations d’ouverture à 31°C et des commutations de fermeture à 27°C, sont atteints. La distance initiale de séparation entre l’aimant permanent et l’alliage magnétique doux est identifiée comme une clé pour augmenter la capacité de conversion d’énergie du générateur. Un modèle équivalent électrique du générateur est développé afin de concevoir un circuit d’extraction d’énergie ainsi qu’un module de gestion d’énergie. Ce circuit est développé sous PSpice, permettant de mettre en œuvre des pertes liées aux matériaux (pertes mécaniques et diélectriques). Par le biais d’ajustement de courbe, ce modèle est capable de calculer des valeurs de pertes. Une analyse de la variabilité de la conception est réalisée afin d’explorer la faisabilité industrielle d’un tel générateur. Ainsi, la récupération d’énergie thermomagnétique peut concourir, pour la première fois, avec les thermo-générateurs les plus modernes. / Thermal energy harvesting can be realized by numerous techniques of energy transduction. Direct conversions of thermal to electrical energy are typically the most popular technologies used. When miniaturized generators are required, direct conversion methods present difficulties, including the need of bulky heat sinks or the strong dependence to rapid temperature fluctuations. Therefore, indirect conversion methods, like thermal-to-mechanical-to-electrical energy are presented as an alternative to thermal energy harvesters towards powering autonomous sensors. This disruptive technology opens up a new approach to overcome the limitations of miniaturized thermal energy harvesting systems. Even if having a relatively low efficiency due to losses linked to energy conversion steps, energy harvesters based on thermo-magnetic effect show a large power density upon miniaturization. Nevertheless, little research on thermo-magnetic energy harvesting at miniature scale has been conducted and no competitive electrical output has been reported until now.This work presents the design of a generator able to convert small and slow ambient temperature fluctuations into electricity. It exploits the thermo-magnetic effect of a soft magnetic material, namely, iron nickel alloy (FeNi) and piezoelectricity. Thermo-magnetization of FeNi is driving the conversion of thermal energy, in the form of temporal fluctuations, into mechanical vibrations of a structure. The structure consists in a piezoelectric bimorph (PZT) cantilever beam. The generator has two stable positions; open position and closed one. Curie temperature of FeNi being near to ambient temperature, applications like wearable connected devices may be targeted. By changing the temperature of the soft magnetic alloy, the interaction between counterbalance forces (magnetic and mechanical forces) leads the generator to one of its two commutations.Analytical model is developed in order to predict generator performance. Making use of this model, a rapid design of generator is conducted to fit custom requirements such as: temperature of operations, temperature range of operation, thermal response, piezoelectric energy conversion capabilities, etc.Additionally, main design rules were derived from the design parameters of the generator. Special attention was paid on how scaling down size affects the generator performance by using the analytical model.Finite element models are developed through ANSYS software in order to validate the analytical simplified model. They couple the thermal to magnetic field and then mechanical to electrical energy conversion is solved. This model allows designers to explore other materials and do improvements by using design optimization processes.First generation energy harvesting demonstrators achieve power densities of 0.6µWcm^-3 during opening commutations around 40°C and 0.02µWcm^-3 at closing commutations around 28°C. By reducing the generator’s size opening commutations at 31°C while closing commutations at 27°C are achieved. By modifying design parameters such as initial distance of separation between the permanent magnet and soft magnetic alloy is identified as a key to boost the energy conversion capability of the generator. Finally, electrical equivalent model of this thermo-magnetically activated piezoelectric generator is developed to design an energy extraction circuit and power management module. This circuit is developed in a unique software PSpice, to implement losses linked to materials (mechanic and dielectric losses). Making use of curve fitting processes, this model is able to find losses values. A variability analysis of the design is conducted by using the analytical model through Matlab in order to explore the feasibility of producing such a generator industrially. Thus, thermo-magnetic energy harvesting can compete for the first time with the state-of-the-art thermos-electrics.

Les microgénérateurs thermoélectriques planaires sont de nouvelles sources d'énergie pour l'électronique portable. Nous avons optimisé leur géométrie à l'aide d'un modèle analytique et numérique. La fabrication d'un générateur utilisant comme matériau actif du silicium est également présentée. L'accès à la conductivité thermique est essentiel pour l'ingénierie des matériaux thermoélectriques utilisés dans ces microsystèmes. Le potentiel des méthodes 3omega et Völklein à mesurer cette grandeur sur des couches minces est étudié expérimentalement et par simulations numériques. Le transfert de chaleur entre les microsystèmes et leur environement est étudié par la méthode Völklein. Le facteur de mérite de couches de silicium polycristallin bien qu'améliorés par un facteur trois en diminuant la taille de grains reste faible. Les propriétés électriques de multicouches à base de PbTe ouvrent des perspectives intéressantes pour leur intégration dans les microsystèmes.

L'objectif de ces travaux de thèse est de proposer une méthodologie de modélisation multi-niveaux d'un microsystème autonome. Pour atteindre cet objectif, nous avons fourni une bibliothèque de modèles implémentés en VHDL-AMS et en SPICE pour différents blocs d'un nœud de réseaux de capteurs sans fils. Ces blocs appartiennent à différents domaines de la physique. Le premier modèle est celui d'un microgénérateur piézoélectrique qui récupère de l'énergie mécanique et la convertit en énergie électrique pour alimenter le reste du système. Le deuxième modèle est celui d'une batterie Li-Ion utilisée pour stocker cette énergie. Ce dernier a été fourni et validé sous différents profils de charge, de décharge et pour des températures différentes. Une bibliothèque de modèles VHDL-AMS et SPICE a également été fournie pour le bloc de gestion d'énergie. Deux niveaux d'abstraction ont été considérés pour ce bloc : un niveau indépendant de la technologie et un autre relié à la technologie CMOS 130 nm de STMicroelectronics. Dans le dernier chapitre, des simulations globales et multi-abstractions ayant pour but de donner un aperçu des possibilités offertes par cette méthodologie ont été présentées. Par ailleurs, des comparaisons avec des résultats expérimentaux, ont été proposées tout au long de ce travail.

Les progrès réalisés dans les processus de fabrication ont mené vers un contrôle de plus en plus accru des dimensions et de la composition chimique des nanostructures, permettant l'émergence de nouveaux dispositifs appelés Nanosystèmes ElectroMécaniques ou NEMS. Outre leurs propriétés physiques et leurs caractéristiques fonctionnelles originales, leurs dimensions réduites leurs confèrent un fonctionnement peu coûteux en énergie. Ainsi, l'utilisation de l'environnement de tels dispositifs comme source d'énergie est clairement envisageable. Afin de préserver les avantages liés aux dimensions des NEMS, le système de récupération d'énergie doit aussi présenter un volume réduit. Dans ce contexte, nous étudions le potentiel des nanofils de ZnO comme éléments actifs de micro et nanosystèmes de récupération d'énergie mécanique à travers la mise au point de deux modèles physiques de nanofils. L'originalité de ces deux modèles vient de la prise en compte du couplage entre les propriétés piezoélectriques et les propriétés semiconductrices du ZnO et de ses effets dans la conversion électromécanique de l'énergie. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle semi-analytique d'un nanofil en flexion statique. Ce modèle permet la compréhension physique des mécanismes de la conversion de l'énergie. De plus, il met en évidence les effets du couplage piezo-semiconducteur et notamment le phénomène de masquage du potentiel. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle de microgénérateur basé sur un réseau de nanofils de ZnO en compression. Ce modèle utilise une approche de circuit à constantes localisées. Il permet une description dynamique du problème et l'estimation de la puissance fournie par le générateur à une charge externe sous l'effet d'une force mécanique. La formation d'un contact Schottky entre le sommet des nanofils et l'électrode supérieure et son influence sur le comportement électrique du générateur sont prises en compte. Ces deux approches sont complémentaires et sont une aide pour la compréhension physique du fonctionnement des nanofils comme transducteurs électromécaniques et pour l'optimisation des propriétés des nanofils en vue de leur utilisation comme éléments actifs de nano et microgénérateurs. Finalement, nous proposons quelques pistes de réflexions pour la synthèse de nanofils et leur intégration en microsystème ainsi que pour la réalisation et la caractérisation d'un dispositif de récupération d'énergie basé sur un réseau de nanofils.

Les progrès réalisés dans les processus de fabrication ont mené vers un contrôle accru des dimensions et de la composition chimique des nanostructures, permettant l’émergence de nouveaux dispositifs appelés Nanosystèmes ElectroMécaniques ou NEMS. Outre leurs propriétés physiques originales, leurs dimensions réduites leurs confèrent un fonctionnement peu coûteux en énergie Ainsi, l’utilisation de l’environnement de tels dispositifs comme source d’énergie est possible. Afin de préserver les avantages liés aux dimensions des NEMS, le système de récupération d’énergie doit présenter un volume réduit. Dans ce contexte, nous étudions les nanoffis de ZnO comme éléments actifs de micro et nanosystèmes de récupération d’énergie à travers deux modèles physiques de nanofils. L’originalité de ces deux modèles vient de la prise en compte du couplage entre les propriétés piezoélectriques et les propriétés semiconductrices du ZnO et de ses effets dans la conversion électromécanique de l’énergie. / Recent progresses in manufacturing processes allow a better control of dimensions and chemical composition of nanostructures, This leads to the emergence of a new family of devices known as Nano ElectroMechanical Systems or NEMS. These devices show novel physical properties and functional characteristics due to their reduced size. Besides, their operating power consumption are tiny, making the use of their environment as energy source highly attractive. The design of a generator that scavenge the surrounding energy of the NEMS is quite a challenge; indeed, such a microharvester should be small enough to ensure that the dimensions of the whole autonomous device are still acceptable. in that context, we investigate ZnO nanowires as active elements of piezoelectric nano and microgenerator. We have specially developed two models of nanowire that take into account of the piezoelectric-semiconducting coupling to appreciate its effects on the electromechanical conversion of energy.