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 progrès technologiques considérables menés depuis ces dernières décennies nous permettent aujourd’hui de disséminer dans notre environnement une nuée de noeuds de capteurs communicants combinant la taille micrométrique et la consommation dérisoire caractéristiques des MEMS avec la puissance des protocoles de communications Internet. L’Internet des Objets, formé par ce réseau de capteurs, possède le potentiel d‘optimiser un grand panel d’applications industrielles et domotiques. Le nouveau défi, que la communauté du Energy Harvesting tente de relever depuis une décennie maintenant, est de rendre ces noeuds de capteurs autonomes en les alimentant grâce à l’énergie perdue dans leur environnement. Dans ces travaux de recherche, nous explorons le potentiel d’un principe thermo-fluidique auto-oscillant pour la génération d’énergie utile à partir d’une source thermique de faible qualité. L’implémentation de cette technologie en tant que machine thermique est étudiée et mène à la caractérisation d’un nouveau cycle thermodynamique caractéristique du SOFHE (Self Oscillating Fluidic Heat Engine). Nous montrons, par une approche phénoménologique, que notre machine thermique se comporte comme un oscillateur mécanique, excité par les évaporations et condensations successives du fluide de travail. Ces changements de phase alternatifs mettent en mouvement une colonne d’eau, jouant le rôle de masse, couplée à une zone de vapeur, jouant le rôle d’un ressort. Une étude de l’influence du couplage du SOFHE avec un transducteur électromécanique, représenté par un oscillateur, mène à la conception et la fabrication d’une spirale piézoélectrique. L’intégration de cette spirale à notre machine thermique forme un générateur thermo-électrique dont les capacités de conversion sont démontrées par la charge d’une capacité. Finalement, la miniaturisation du principe thermo-fluidique SOFHE est rendue possible par la réalisation d’un procédé de fabrication utilisant les techniques MEMS. Des dispositifs miniatures parviennent à exhiber un comportement oscillatoire montrant le potentiel d’intégration de cette technologie. / Abstract : The tremendous technological progresses realized in the last decades allow us to swarm our environment with Wireless Sensors Networks. These WSNs combine the MEMS’ miniature size and low energy consumption, and the powerful Internet communication protocols. This Internet of Things shows great potential in many applications such as industry or housing. For a decade now, the Energy Harvesting community wants to build autonomous WSNs by enabling them to feed off energy wastes. In this work, we study the electricity generation capabilities of a Self-Oscillating Fluidic Heat Engine (SOFHE) and present its characteristic thermodynamic cycle. Our model shows that the SOFHE acts as a mechanical resonator excited by the successive evaporation and condensation processes underwent by the working fluid. These phase changes put a liquid mass in motion, coupled with a vapor spring. The coupling of our heat engine with an electromechanical transducer is studied and leads to a piezoelectric spiral conception and fabrication. Their association forms a thermo-electrical generator able to power and charge an electrical capacitor. Eventually, we demonstrate the miniaturization prospects and integration potential of this SOFHE technology. A micro-fabrication process enables a SOFHE MEMS implementation. Our process includes a deep glass wet etching step as well as a Au-Si eutectic wafer bonding.

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.