La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l'environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d'un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée.

La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l’environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d’un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée. / Vibration energy harvesting is a relatively new concept that can be used in powering micro-scale power embedded devices with the energy of vibrations omnipresent in the surrounding. This thesis contributes to a general study of vibration energy harvesters (VEHs) employing electrostatic transducers. A typical electrostatic VEH consists of a capacitive transducer, conditioning electronics and a storage element. This work is focused on investigations of the reported by MIT in 2006 auto-synchronous conditioning circuit, which combines the diode-based charge pump and the inductive flyback energy return driven by the switch. This architecture is very promising since it eliminates precise gate control of transistors employed in synchronous architectures, while a unique switch turns on rarely. This thesis addresses the theoretical analysis of the conditioning circuit. We developed an algorithm that by proper switching of the flyback allows the optimal energy conversion strategy taking into account the losses associated with the switching. By adding the calibration function, the system became adaptive to the fluctuations in the environment. This study was validated by the behavioral modeling. Another contribution consists in realization of the proposed algorithm on the circuit level. The major design difficulties were related to the high-voltage requirement and the low-power design priority. We designed a high-voltage analog controller of the switch using AMS035HV technology. Its power consumption varies between several hundred nanowatts and a few microwatts, depending on numerous factors - parameters of external vibrations, voltage levels of the charge pump, frequency of the flyback switching, frequency of calibration function, etc. We also implemented on silicon, fabricated and tested a high-voltage switch with a novel low power level-shifting driver. By mounting on discrete components the charge pump and flyback circuit and employing the proposed switch, we characterized the wideband high-voltage operation of the MEMS transducer prototype fabricated alongside this thesis in ESIEE Paris. When excited with stochastic vibrations having an acceleration level of 0.8 g rms distributed in the band 110-170 Hz, up to 0.75 $\mu$W of net electrical power has been harvested.

Issus de l'industrie de la microélectronique, les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) envahissent progressivement le marché avec des applications dans de nombreux domaines tels que l'aérospatiale, la médecine, l'industrie ou encore le grand public. Une des vocations de ces microstructures est de permettre le déploiement de réseaux de capteurs autonomes, c'est-à-dire d'un ensemble de systèmes capables de collecter des informations de leur environnement, de les traiter, de les transmettre et d'interagir entre eux, et ceci, sans intervention humaine. Comment rendre ces microsystèmes énergétiquement autonomes ? Utiliser des piles... Malheureusement, le défaut majeur des piles est leur durée de vie, puisqu'il faudra à un moment ou à un autre les recharger ou les remplacer. En fait, avec la miniaturisation, les systèmes deviennent de moins en moins consommateurs d'énergie et ceci permet de concevoir de nouvelles sources d'énergie basées sur la récupération de l'énergie ambiante (soleil, gradients de température,...). Il est par exemple possible de récupérer l'énergie des vibrations ambiantes à l'aide de systèmes piézoélectriques, électromagnétiques ou encore électrostatiques. Dans ce travail de thèse, nous nous concentrons sur l'étude de structures électrostatiques utilisant les électrets (diélectriques chargés électriquement). De l'étude des électrets à la réalisation et à l'optimisation de structures de récupération d'énergie, nous exposons dans ce mémoire, les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse.

Les récupérateurs d'énergie vibratoire électrostatiques (REV) sont des systèmes convertissant une partie de l'énergie cinétique de leur environnement en énergie électrique, afin d'alimenter de petits systèmes électroniques. Les REV inertiels sont constituées d'un sous-système mécanique bâti autour d'une masse mobile, ainsi que d'une interface électrique. Ces deux blocs sont couplés par un transducteur électrostatique. Cette thèse étudie l'amélioration des performances des REV par la conception optimisée de leur interface électrique. La première partie de cette thèse étudie une famille d'interfaces électriques appelées pompes de charge (PC). On commence par la construction d'une théorie formelle des PC. Des interfaces rapportées dans la littérature sont identifiées comme membres de cette famille. Cette dernière est ensuite complétée par une nouvelle topologie de PC. Une comparaison des différents PC est alors faite dans le domaine électrique, puis un outil semi-analytique est présenté pour la comparaison des PC en prenant en compte le couplage électromécanique. L'étude des PC se termine par la présentation d'une nouvelle méthode de mesure du potentiel d'électret des REV. La deuxième partie de la thèse présente une approche de conception radicalement différente de ce qui est présenté dans les travaux actuels sur les REV. Elle préconise une synthèse active de la dynamique de la masse des REV à travers leur interface électrique. Nous montrons d'abord que cela permet la conversion d'énergie en quantités proches des limites physiques, et ce à partir de vibrations d'entrée de forme arbitraire. Enfin, une architecture pour un tel REV est proposée et testée en simulation. / Electrostatic vibration energy harvesters (e-VEHs) are systems that convert part of their surroundings' kinetic energy into electrical energy, in order to supply small-scale electronic systems. Inertial E-VEHs are comprised of a mechanical subsystem that revolves around a mobile mass, and of an electrical interface. The mechanical and electrical parts are coupled by an electrostatic transducer. This thesis is focused on improving the performances of e-VEHs by the design of their electrical interface. The first part of this thesis consists in the study of a family of electrical interfaces called charge-pumps conditioning circuits (CPCC). It starts by building a formal theory of CPCCs. State-of-the-art reported conditioning circuits are shown to belong to this family. This family is then completed by a new CPCC topology. An electrical domain comparison of different CPCCs is then reported. Next, a semi-analytical tool allowing for the comparison of CPCC-based e-VEHs accounting for electromechanical effects is reported. The first part of the thesis ends by presenting a novel method for the measurement of e-VEHs' built-in electret potential. The second part of the thesis presents a radically different design approach than what is followed in most of state-of-the-art works on e-VEHs. It advocates for e-VEHs that actively synthesize the dynamics of their mobile mass through their electrical interface. We first show that this enables to convert energy in amounts approaching the physical limits, and from arbitrary types of input vibrations. Then, a complete architecture such an e-VEH is proposed and tested in simulations submitted to human body vibrations.