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).

Les piézoélectriques à haute performance sont des composants clés pour les dispositifs agiles. Il a été démontré récemment que les solutions solides (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 (BCTZ) présentent des propriétés électromécaniques prometteuses. Cependant, les mécanismes microscopiques conduisant à de telles caractéristiques restent à éclaircir, et les investigations théoriques de BCTZ demeurent très limitées à ce jour. En conséquence, cette thèse propose d’étudier les propriétés de différentes compositions de solutions solides (Ba,Ca)TiO3-Ba(Ti,Zr)O3 au moyen de calculs de premiers principes, en mettant l’accent sur la dynamiquedu réseau et sur la compétition entre différentes phases ferroélectriques. Nous nous intéressons d’abord aux quatre composés parents BaTiO3, CaTiO3, BaZrO3 et CaZrO3, afin de comparer leurs propriétés et leurs différentes tendances à la ferroélectricité. Ensuite, le coeur de notre étude est une caractérisation systématique des systèmes binaires (Ba,Ca)TiO3 et Ba(Ti,Zr)O3 en utilisant à la fois l’approximation du cristal virtuel (VCA) et des calculs directs sur supercellules.Lorsqu’on passe continument de BaTiO3 à CaTiO3 dans (Ba,Ca)TiO3, la caractéristique principale est une transformation progressive de la ferroélectricité de type B en type A en raison d’effets stériques, lesquels déterminent en grande partie le comportement du système. En particulier, pour les petites concentrations en calcium, nous avons mis en évidence que laferroélectricité guidée par le site B est globalement affaiblie, conduisant à la disparition de la barrière d’énergie entre différents états polaires et à une polarisation quasi-isotrope. Une amélioration considérable de la réponse piézoélectrique résulte de ces caractéristiques. En passant de BaTiO3 à BaZrO3 dans Ba(Ti,Zr)O3, en revanche, le comportement est dominé parles mouvements coopératifs Zr-Ti et l’électrostatique locale. En particulier, la phase R3m est stabilisée significativement pour les faibles concentrations en zirconium. Sous l’effet d’une augmentation de la concentration en zirconium, le système montre une tendance à la réduction de la distorsion polaire; néanmoins, la ferroélectricité peut être préservée localement dans les régionsriches en titane. Grâce à un modèle électrostatique basé sur un super-réseau BaZrO3/mBaTiO3, nous avons également découvert une activation polaire inattendue pour Zr, en fonction d’un ordre atomique spécifique. Un facteur microscopique expliquant la réponse piézoélectrique exaltée dans BCTZ, pour de faibles concentrations en Ca et Zr, peut donc résider dans l’interaction entre la ferroélectricité affaiblie induite par Ti et la ferroélectricité émergente induite par Ca, interaction produisant une anisotropie minimale pour la polarisation. En outre, notre étude comparative révèle que la physique microscopique spécifique de ces solutions solides limite sévèrement l’applicabilité de l’approximation du cristal virtuel (VCA) à ces systèmes. / High-performance piezoelectrics are key components of various smart devicesand, recently, it has been discovered that (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 (BCTZ) solid solutions show appealingelectromechanical properties. Nevertheless, the microscopic mechanisms leading to suchfeatures are still unclear and theoretical investigations of BCTZ remain very limited. Accordingly,this thesis analyzes the properties of various compositions of (Ba,Ca)TiO3-Ba(Ti,Zr)O3solid solutions by means of first-principles calculations, with a focus on the lattice dynamicsand the competition between different ferroelectric phases. We first analyze the four parentcompounds BaTiO3, CaTiO3, BaZrO3 and CaZrO3 in order to compare their properties andtheir different tendency towards ferroelectricity. Then, the core of our study is a systematiccharacterization of the binary systems (Ba,Ca)TiO3 and Ba(Ti,Zr)O3 within both the virtualcrystal approximation (VCA) and direct supercell calculations. When going from BaTiO3 toCaTiO3 in (Ba,Ca)TiO3, the main feature is a gradual transformation from B-type to A-typeferroelectricity due to steric effects that largely determine the behavior of the system. In particular,for low Ca-concentration we found out an overall weakened B-driven ferroelectricitythat produces the vanishing of the energy barrier between different polar states and resultsin a quasi-isotropic polarization. A sizable enhancement of the piezoelectric response resultsfrom these features. When going from BaTiO3 to BaZrO3 in Ba(Ti,Zr)O3, in contrast, thebehavior is dominated by cooperative Zr-Ti motions and the local electrostatics. In particular,low Zr-concentration produces the further stabilization of the R3m-phase. Then, the systemshows the tendency to globally reduce the polar distortion with increasing Zr-concentration.Nevertheless, ferroelectricity can be locally preserved in Ti-rich regions. We also found out anunexpected polar activation of Zr as a function of specific atomic ordering explained via a basicelectrostatic model based on BaZrO3/mBaTiO3 superlattice. A microscopic factor behind theenhanced piezoelectric response in BCTZ, at low concentration of Ca and Zr, can thus be theinterplay between weakened Ti-driven and emerging Ca-driven ferroelectricity, which producesminimal anisotropy for the polarization. In addition, our comparative study reveals that thespecific microscopic physics of these solid solutions sets severe limits to the applicability of thevirtual crystal approximation (VCA) for these systems.

In this experimental study the in-lined poled piezoelectric poly(vinylidene fluoride)(PVDF) bicomponent fiber was investigated the suitability in applications within the area of textile sensors when used in a bowel stent. Today there are only piezoelectric films made of PVDF available. Compared to a film, a fiber increases the amounts of application abilities. In this study a plain weave, resembling a coordinate system was made of the piezoelectric PVDF fiber and tested on top of two different beds; one hard and one elastic made of foam. The structure was then developed into two structures; one integrated in the stents structure with a plain weave pattern and one secondary structure as a plain weave placed onto the stent. Two test methods were developed in order to resemble the bowel movements to test the two piezoelectric PVDF fiber based structures. A reliability test in a reometer was made of the fiber, giving high differences in mean values. An in vivo test was conducted in a pig where the stent was placed in the orifice of the stomach. Both structures shown response when both developed methods was used. Due to large irregularities within the piezoelectric PVDF fiber the evaluation between the two structures was not possible. The most favorable structure was the secondary structure due to the larger continuous process ability and application areas. It was also seen that the reliability of the piezoelectric PVDF fiber is low, giving a non-reliable sensor. / Program: Textilteknik

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.

Cette thèse porte sur la propagation des ondes magnéto-électro-élastiques dans les structures inhomogènes, et tout particulièrement de l’effet d’un champ magnétique externe sur des structures multicouches et des cristaux phononiques combinant des matériaux à la fois piézoélectriques et magnéto-élastiques. Pour déterminer les caractéristiques des ondes se propageant dans ces structures magnéto-électro-élastiques, un modèle de matériau piézomagnétique équivalent à un matériau magnéto-élastique en couche mince, polarisé à saturation autour d’une position d’équilibre définie par l’orientation et l’amplitude d’un champ magnétique externe appliqué à celui-ci, est développé. Il est combiné à une méthode originale de calcul des courbes de dispersion dans les multicouches, basée sur une décomposition en polynômes de Legendre pour les couches d’épaisseur finie, et en polynômes de Laguerre pour le substrat semi-infini. Ce modèle est utilisé pour le cas d’un film mince de TbCo2/FeCo, présentant une anisotropie magnétique uni-axiale dans le plan et une magnétostriction géante, déposé sur un substrat de LiNbO3 sous forme de film ou en réseau de plots cylindriques. On montre que dans ce dernier cas, correspondant à un cristal phononique magnéto-élastiques à résonance locale, il est possible de contrôler sans aucun contact la structure de bande par l’application d’un champ magnétique externe. Ainsi, une sensibilité de 50 kHz par Oersted a été calculée pour une bande plate située dans le gap de Bragg d’un tel cristal phononique. Cette sensibilité est suffisante pour envisager une application du dispositif comme un détecteur très sensible de champs magnétiques localisés / This thesis focuses on the propagation of magneto-electro-elastic waves in inhomogeneous structures, and in particular the effect of an external magnetic field on multilayer structures and on phononic crystals that combine both piezoelectric and magneto-elastic materials. To determine the characteristics of waves propagating in magneto-electro-elastic structures, an effective piezomagnetic material model, equivalents to a thin layer of magneto-elastic material, is developed. The thin layer is polarized to saturation around the equilibrium position defined by the direction and amplitude of an external magnetic field. This model is combined with a method of dispersion curves calculation in multilayer structures, based on a decomposition in Legendre polynomials for layers of finite thickness and Laguerre polynomials for a semi-infinite substrate. The model is used for the case of a TbCo2/FeCo thin film, presenting an in plane uniaxial magnetic anisotropy and a giant magnetostriction, deposited as a film, or as a lattice of cylinders, on a substrate of LiNbO3. It is shown that in the latter case, corresponding to a local resonance magneto-elastic phononic crystal, it is possible to control, without any contact, the band structure by applying an external magnetic field. Thus, a sensitivity of 50kHz by Oersted was calculated for a flat band located in Bragg band gap for such phononic crystal. This sensitivity is sufficient to enable the use of this device as a sensitive detector of localized magnetic fields

L’objectif de cette thèse est de réaliser un système de Contrôle Santé Intégré des structures aéronautiques (CSI ou SHM) autonome et à double-fonctionnalité. Ce système doit être en mesure d’assurer son autonomie énergétique tout en réalisant les tâches de détection et de localisation des endommagements. Latechnique retenue pour alimenter ce système est basée sur la récupération d’énergie vibratoire par transducteurs piézoélectriques SHM collés. Durant ces travaux, un modèle analytique complet de la chaîne de récupération d’énergie vibratoire a d’abord été créé. Ce modèle, validé par la Méthode des ÉlémentsFinis (MEF), permet d’améliorer le rendement du système en déterminant les dimensions, les locali-sations et le type de matériau piézoélectrique idéals des transducteurs. Ce modèle a ensuite été étendu à une configuration plus représentative des conditions de vibrations d’une structure en vol. Une bonne corrélation entre les résultats provenant du modèle prédictif et les essais sur un banc de mesures a étémise en évidence. Une puissance de 1.67mW a été récupérée et la capacité large bande des transducteurs a été vérifiée. L’application de la récupération d’énergie au contrôle de structures composites en cours d’assemblage sur les lignes de production a également été étudiée. Dans ce cas, un transducteur stratégiquement localisé et alimenté par une source de tension disponible génère des ondes de Lambdans la structure afin de pallier l’absence de vibrations naturelles. Un réseau de transducteurs secondaires disséminés sur cette structure récupère et convertit cette énergie vibratoire en énergie électrique. Une puissance de 7.36 mW a été récoltée et ce système a été en mesure de détecter une chute d’outil sur le composite et d’éclairer de façon autonome une diode électroluminescente (DEL) simulant ici la consommation de la transmission sans fil de l’information. / The aim of this thesis is to develop a self-powered Structural Health Monitoring (SHM) system for aeronautical applications. This system has to be fully autonomous and has to be able to carry out SHM tasks such as damage detection and location. The energetic autonomy of the system is provided by a vibrational energy harvesting technology using bonded SHM piezoelectric transducers. In this document,an analytical model of the energy harvesting process has been proposed. This model, validated by the Finite Element Method (FEM), allows the optimization of the energy harvesting system by determining the ideal type of transducers as well as their optimal dimensions and locations. Then, this model has been applied to a configuration aiming to be more representative of the in-flight vibrations experienced by a structure. Good agreement has been found between the analytical simulation and the experimental measurements. A power of 1.67mW has been harvested and the wideband capability of the transducers has been verified. Afterwards, the possibility of using the vibrational energy harvesting technology to control composite structures on assembly line has been investigated. For this case study, a transducer strategically located nearby an available power supply generates Lamb waves throughout the structure to tackle the absence of natural vibration. The remaining sensors, spread all over the structure, convertthe mechanical vibrations into electrical power. Using this technology, a power of 7.36mW has been harvested. Finally, this SHM system has also been able to detect a tool drop on the composite structure and to light simultaneously and autonomously a light-emitting diode (LED) simulating the consumption required to transmit the information wirelessly.

Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation d'une nouvelle génération de capteurs ultrasonore dédiés à la caractérisation des gaz de fission. Plus généralement, ces études concernent le développement de l’instrumentation du réacteur d’essai des matériaux Jules Horowitz (RJH), visant entre autre à effectuer le contrôle in situ de la composition du gaz libéré afin d’optimiser la durée de vie du combustible et le taux de combustion. La température de fonctionnement de ce nouveau réacteur devant se situer dans la plage entre 200 °C à 400 °C, la principale problématique concerne donc le développement d’un matériau piézoélectrique, capable de fonctionner dans la plage de température requise, et son intégration à un dispositif de détection.Nous proposons l’utilisation du sodium titanate de bismuth (NBT) développé par la méthode de la sérigraphie. Dans le but d'optimiser les conditions de fabrication des matériaux, plusieurs versions de matériaux piézoélectriques ont été produites au cours de cette thèse. Chacun des matériaux a été caractérisé (paramètres morphologiques, chimiques, électriques, diélectriques, piézoélectriques et électromécaniques) et des tests en fonction de la température ont été conduits. Après avoir démontré une bonne répétabilité dans la production du matériau, le protocole de fabrication des capteurs a été déterminé et un prototype de capteur ultrasonore a été réalisé.Ces capteurs ont été fabriqués par dépôt du matériau actif sur un substrat d'alumine. Après caractérisation des propriétés des capteurs, des essais ont montré une sensibilité acoustique importante à température ambiante. De plus, la possibilité d'une détection de gaz sur une gamme de pression de 50 à 70 bars a été démontrée par l'intégration d’un capteur dans une enceinte. Pour vérifier la possibilité d'application du capteur à la détection de gaz dans des environnements hostiles (haute température), un modèle théorique basé sur les propriétés électromécaniques et les équations d’adaptation d’impédance a été introduit. Il a été démontré théoriquement que le capteur est capable d'effectuer des mesures de gaz de la température ambiante jusqu’à 350 °C. / This Ph.D. thesis is dedicated to the development of a new generation of ultrasonic sensors devoted to fission gas characterization. More generally, these studies concern the development of instrumentation for the Jules Horowitz material testing reactor (JHR) aiming to perform in-situ control of the released gas composition for optimization of burn-up rate and fuel rod lifetime. The operation temperature of this new reactor will be in the range of 200 °C - 400 °C. Hence, the main problem concerns the development of piezoelectric material, able to operate in the required temperature range, and its integration with a sensor device.To resolve this problem, we propose to use the sodium bismuth titanate (NBT) ceramic material developed by the screen-printing technique. Several versions of piezoelectric materials were produced during this research, with the purpose of optimizing material manufacturing conditions Each material was characterized (morphological, chemical, electric, dielectric, piezoelectric and electromechanical parameters) and “tests as a function of temperature” were carried out. After demonstrating repeatability in material fabrication, the protocol for NBT sensor production was determined and a prototype of the ultrasonic sensor was fabricated.The sensor was fabricated by deposition of an active material onto an alumina substrate. After characterization of sensor properties, acoustic tests showed a high sensitivity of measurements at ambient temperature (25 °C). Furthermore, by integration of sensors into a pressurized enclosure the possibility of gas detection in the range from 50 to 70 bars was demonstrated. To verify the sensor’s applicability to gas detection under harsh temperature environment, a theoretical model based on electromechanical properties and impedance matching equations was introduced. It was theoretically demonstrated that the sensor is able to perform gas measurements from ambient temperature up to 350 °C.

In this thesis, an attitude control system based on Linear Quadratic Regulator (LQR) technique is developed for a hypothetical Earth observation satellite with a long flexible boom. To improve pointing performance of the satellite, the piezoelectric actuators are used as well. The boom is rectangular made of aluminum with the surface bonded piezoelectric layers on all four surfaces. The boom is modeled using finite elements. The pointing performance of the satellite using various metrics is evaluated through simulations. Effectiveness of the piezoelectric actuators is demonstrated.

Surface Acoustic Waves (SAW) fall under a special category of elastic waves that need a material medium to propagate. The energy of these waves is confined to a limited depth below the surface over which they propagate, and their amplitudes decay with increasing depth. As a consequence of their being a surface phenomenon, they are easily accessible for transduction. Due to this reason, a lot of research has been carried out in the area, which has resulted in two very popular applications of SAW - SAW devices and in Non-Destructive Testing and Evaluation. A major restriction of SAW devices is that the SAW need a piezoelectric medium for generation, propagation and reception. This thesis reports the attempt made to overcome this restriction and utilize the SAW on non-piezoelectric substrates for sensing capabilities. The velocity of the SAW is known to be dependent purely on the material properties, specifically the elastic constants and material density. This dependence is the motivation for the sensor system developed in the present work. Information on the survey of the methods suitable for the generation and reception of SAW on non-piezoelectric substrates has been included in the thesis. This is followed by the theoretical and practical details of the method chosen for the present work - the point source/point receiver method. Advantages of this method include a simple and inexpensive fabrication procedure, easy customizability and the absence of restrictions due to directivity of the SAW generated. The transducers consist of a conically shaped PZT element attached to a backing material. When the piezoelectric material on the transmitter side is electrically excited, they undergo mechanical oscillations. When coupled to the surface of a solid, the oscillations are transferred onto the solid, which then acts as a point source for SAW. At the receiver, placed at a distance from the source on the same side, the received mechanical oscillations are converted into an electrical signal as a consequence of the direct piezoelectric effect. The details of the fabrication and preliminary trials conducted on metallic as well as non-metallic samples are given. Various applications have been envisaged for this relatively simple sensor system. One of them is in the field of pressure sensing. Experiments have been carried out to employ the acoustoelastic property of a flexible diaphragm made of silicone rubber sheet to measure pressure. The diaphragm, when exposed to a pressure on one side, experiences a varying strain field on the surface. The velocity of SAW generated on the stressed surface varies in accordance with the applied stress, and the consequent strain field generated. To verify the acoustoelastic phenomenon in silicone rubber, SAW velocities have been measured in longitudinal and transverse directions with respect to that of the applied tensile strain. Similar measurements are carried out with a pressure variant inducing the strain. The non-invasive nature of this setup lends it to be used for in situ measurement of pressure. The second application is in the field of elastography. Traditional methods of diagnosis to detect the presence of sub-epidermal lesions, some tumors of the breast, liver and prostate, intensity of skin irritation etc have been mainly by palpation. The sensor system developed in this work enables to overcome the restrictive usage and occasional failure to detect minute abnormal symptoms. In vitro trials have been conducted on tissue phantoms made out of poly (vinyl alcohol) (PVA-C) samples of varying stiffnesses. The results obtained and a discussion on the same are presented.

Sensors is one of the major areas of current research. Thin film micro/nano sensors are gaining attention worldwide, as there is necessity of miniaturization. There are varieties of sensors available by utilizing different materials in bulk and thin film form for measuring parameters like temperature, pressure, flow, humidity etc. Apart from these, there are various sensors available to measure impact force. Impact sensor offers potential application possibilities in robotics, aerospace, structural & mechanical engineering and related areas. Many physical principles have been explored for the realization of impact sensor. The present thesis reports the efforts made in developing impact sensor using piezoelectric thin film. The necessary brief background information on impact sensors is presented in Chapter 1. This includes the description of available literature on impact sensors and their probable applications. In Chapter 2, a review of the various techniques such as thin film deposition techniques, film thickness measurement techniques, thin film characterization techniques, used in our work are explained in detail. Chapter 3 explains the direct and indirect methods of characterization used for confirming the piezoelectric property of zinc oxide thin films. The detailed experimental work carried out in realizing the impact sensor using piezoelectric thin films is presented in chapter 4. This includes design of the sensor, calibration setup used & the procedure followed and results obtained. Finally, we present the summary of the work carried out in the thesis, conclusions arrived at and the scope for carrying out further work in the direction of making the sensor more efficient.