Ce travail étudie l'alimentation en énergie de systèmes électroniques communicants. Le but est de les rendre autonomes en récupérant de l'énergie provenant du milieu extérieur. En particulier, nous nous sommes attachés à explorer la piste des variations temporelles de température. Ces variations doivent être lentes (quelques degrés sur plusieurs heures) ce qui exclue bon nombre de solutions « classiques ». Pour répondre à cette problématique, nous avons développé une nouvelle approche, couplant des matériaux magnétiques et piézoélectriques. Cette hybridation permet de s'affranchir de la dépendance temporelle et de générer des pics d'énergie de plusieurs dizaines de μW lors du dépassement de certains seuils de température. Pour terminer, nous nous sommes enfin intéressés à la modélisation globale de ce phénomène sous Simulink.

Cette thèse explore la thématique des microsystèmes autonomes, notamment la problématique de leur alimentation en énergie. Jusqu'à présent, l'énergie nécessaire pour faire fonctionner ces dispositifs était fournie par une source finie, par exemple une batterie électrochimique. Cela implique, qu'après un certain temps, le réservoir doit être rempli, sinon le dispositif cesse de fonctionner. De plus, un compromis doit être fait entre la taille et la durée de vie du système. L'objectif de ce travail est d'étudier la possibilité d'alimenter de tels systèmes à partir de l'énergie des vibrations mécaniques ambiantes. Nous nous sommes focalisés sur la miniaturisation du dispositif de récupération d'énergie, et sur la possibilité de son élaboration en employant les techniques de micro fabrication et les couches minces piézoélectriques. L'utilisation d'un dispositif de type MEMS permettrait de créer des systèmes autonomes sur une seule puce (SoC) où dans un boîtier (SoP). Au cours de cette thèse nous avons créé des modèles analytiques et par éléments finis des structures de générateurs piézoélectriques. Nous avons conçu et fabriqué les dispositifs en utilisant deux matériaux piézoélectriques : le nitrure d'aluminium (AlN) et le zirconate titanate de plomb (PZT). Nous avons démontré que de telles structures peuvent fournir une puissance de l'ordre de quelques microwatts. De plus, avec des circuits spécifiques de gestion de puissance elles permettent de charger des dispositifs de stockage à partir des vibrations d'une très faible amplitude. Les dispositifs présentés sont pour le moment les seuls microgénérateurs piézoélectriques au monde adaptés aux vibrations ambiantes. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet VIBES (VIBration Energy Scavenging) qui est un STREP du sixième programme cadre de l'Union Européenne (IST-1-STREP-507911).

Toute action naturelle crée de l'énergie perdue qui pourrait être exploitée pour alimenter nos appareils électriques et mobiles. Nos environnements physiques disposent d'un nombre élevé de micro-sources d'énergies ; certes chacune est de faible puissance, mais leur multiplicité pourrait s'avérer significative, notamment dans le cadre du fonctionnement de microsystèmes. C'est le principe précédent qui a conduit nos travaux sur la problématique de la conception de microsystèmes autonomes. Ainsi, pour être innovante, l'ingénierie de microsystèmes doit à la fois s'appuyer sur la culture de l'électronique, de la mécanique mais aussi de l'énergétique. Le processus de conception est fortement pluridisciplinaire et son efficacité réside dans la capacité à mettre en oeuvre des méthodologies et des outils : - de conception collaborative, - de capitalisation des connaissances techniques, - d'ingénierie multi-physique, - d'ingénierie intégrée. Sur le base de ces fondamentaux, nous avons développé un outil d'aide à la conception. La méthodologie sous-jacente permet : 1- l'analyse et la structuration d'un problème de conception d'un microsystème autonome : cette phase conduit l'identification, la description fonctionnelle et environnementale du système et de son environnement. 2- la modélisation des connaissances : une analyse architecturale conduit à la description des composants et des interactions liées au microsystème (directement ou indirectement) puis à la modélisation des comportements, 3- la qualification énergétique et le couplage physique : la réutilisation structurée des modèles de connaissances est pilotée pour coupler les modèles physiques et décrire les sources, les puits et les mécanismes énergétiques des environnements, 4- la conduite de la recherche de concepts innovants : la base de connaissances, les critères de qualification et la description fonctionnelle préalablement construits sont agencés dans une seule méthode de conception virtuelle pour rechercher des concepts de solutions innovants, 5- le pré-dimensionnement : tout en assurant l'intégration des outils spécialisés de simulation (méthode des éléments finis et simulation fonctionnelle), le prédimensionnement de microsystèmes autonomes est supportée selon un schéma synthétique, assurant un raisonnement abductif (ou bottom-up). La conjonction des raisonnements physiques, l'intégration des méthodes et des cultures métiers, l'exploration virtuelle des espaces de solutions et la modélisation constituent les bases d'un nouveau moyen d'aide à la conception de microsystèmes autonomes. Cette approche a été déployée pour la conception d'un capteur piézoélectrique autonome.

Toute action naturelle crée de l’énergie perdue qui pourrait être exploitée pour alimenter nos appareils électriques et mobiles. Nos environnements physiques disposent d’un nombre élevé de micro-sources d’énergies ; certes chacune est de faible puissance, mais leur multiplicité pourrait s’avérer significative, notamment dans le cadre du fonctionnement de microsystèmes.C’est le principe précédent qui a conduit nos travaux sur la problématique de la conception de microsystèmes autonomes. Ainsi, pour être innovante, l’ingénierie de microsystèmes doit à la fois s’appuyer sur la culture de l’électronique, de la mécanique mais aussi de l’énergétique. Le processus de conception est fortement pluridisciplinaire et son efficacité réside dans la capacité à mettre en œuvre des méthodologies et des outils :- de conception collaborative,- de capitalisation des connaissances techniques, - d’ingénierie multi-physique,- d’ingénierie intégrée.Sur le base de ces fondamentaux, nous avons développé un outil d’aide à la conception. La méthodologie sous-jacente permet :1- l’analyse et la structuration d’un problème de conception d’un microsystème autonome : cette phase conduit l’identification, la description fonctionnelle et environnementale du système et de son environnement.2- la modélisation des connaissances : une analyse architecturale conduit à la description des composants et des interactions liées au microsystème (directement ou indirectement) puis à la modélisation des comportements,3- la qualification énergétique et le couplage physique : la réutilisation structurée des modèles de connaissances est pilotée pour coupler les modèles physiques et décrire les sources, les puits et les mécanismes énergétiques des environnements,4- la conduite de la recherche de concepts innovants : la base de connaissances, les critères de qualification et la description fonctionnelle préalablement construits sont agencés dans une seule méthode de conception virtuelle pour rechercher des concepts de solutions innovants,5- le pré-dimensionnement : tout en assurant l’intégration des outils spécialisés de simulation (méthode des éléments finis et simulation fonctionnelle), le pré-dimensionnement de microsystèmes autonomes est supportée selon un schéma synthétique, assurant un raisonnement abductif (ou bottom-up)La conjonction des raisonnements physiques, l’intégration des méthodes et des cultures métiers, l’exploration virtuelle des espaces de solutions et la modélisation constituent les bases d’un nouveau moyen d’aide à la conception de microsystèmes autonomes. Cette approche a été déployée pour la conception d’un capteur piézoélectrique autonome. / Any natural action creates lost energy which could be exploited to supply our electrical and mobile appliance. Our physical environments have a high number of micro-energy sources. Admittedly, each one provides low power but their multiplicity could be significant, in particular within the framework of the microsystem operation.The previous observation guided our works towards the problematic of autonomous microsystem design. Thus, to be innovative, microsystems engineering must lean on electronic, mechanical and energy domains. The design process is highly multidisciplinary and its efficiency depends on the ability to implement methods and tools:- of collaborative design- of capitalization of technical knowledge- of multiphysic engineering- of integrated design.Based on these fundamentals, we developed a design support tool. The underlying methodology enables:1- the design problem analysis and structuring of an autonomous microsystem: this phase leads to the identification and functional and environmental description of the system and its environment2- the knowledge modelling: an architectural analysis gives the description of components and interactions related to the microsystem (directly or indirectly). Then, it leads to a behaviour modelling.3- the energy qualification and physical coupling: the structured reuse of knowledge models is guided to couple physical models and describe the sources, sinks and the energy mechanism of the environment.4- the control of innovative concept search: the knowledge base, qualification criteria and functional description, previously constructed, are combined in an unique virtual design approach dedicated to search innovative concepts as a solution5- the predimensioning: this phase ensures the integration of specific simulation tools (finite elements method and functional simulation). The predimensioning of autonomous microsystems is supported by a synthetic scheme based on an abductive reasoning (bottom-up).The combination of physical reasoning, the integration of methods and engineering domains, the virtual exploration of solution spaces and the modelling represent a new way to support autonomous microsystem design. This approach was applied to the design of an autonomous piezoelectric sensor.