Les développements récents des applications d’électronique portable demande de plus en plus l’utilisation de systèmes de récupération d’énergie à partir de sources environnantes de basse énergie. La conversion piézoélectrique à partir de sources vibratoire pourrait être un moyen intéressant pour l’alimentation électrique de petits systèmes. Dans ce travail, nous investiguons les potentialités de films de polymère bio-sourcé à base de polyamide 11 (PA11). Dans un premier temps, les effets de traitements physiques ou chimiques sur le développement des phases cristallines du PA11 ont été longuement étudiés. Dans un deuxième temps, des nano-argiles ont été utilisées comme modificateurs de structure dans la matrice PA11. Des nanocomposites de PA11/argile ont été réalisés en utilisant des argiles en feuillets et en nanotubes par extrusion. L’effet de ces argile n’est pas significatif sur la qualité structurale des composites obtenus. L’ajout d’argile en feuillets (cloisite 20A, cloisite 10A et cloisite Na+)conduit à une amélioration des caractéristiques mécaniques alors que l’ajout de silicates tubulaires (nanotubes d’halloysite) n’a pas d’effet significatif. Parmi tous les nanocomposites préparés, le nanocomposite chargé de Cloisite Na+ a montré la meilleure propriétés piézoélectriques. Il semble que la polarité plus élevée de la Cloisite Na+ puisse être à l’origine de la meilleure réponse à la polarisation de ces composites. Une méthode spécifique de quantification de la récupération d’énergie vibratoire a été développée pour ces composites polymères/argile. Les capacités de récupération d’énergie par vibration ont été étudiées sur l’argile PA11 chargée de Cloisite Na+. / In the last few years it has been an increasing demand for the elaboration of flexible energy conversion sources due to the rapid increase in the usage of portable electronic devices. The piezoelectric conversion from vibration sources could be an interesting way to charge small systems. In this work, we investigate the potential of bio-based polyamide 11 (PA11) polymer films. At first, the effect of physical and chemical treatments on the development of crystalline phases in polyamide 11 has been thoroughly investigated. In a second step, nanoclays have been used as structural modifiers in PA 11 matrix. Nanocomposites were prepared using layered and tubular clays by melt-blending process and it was found that addition of layered silicates (cloisite 20A, cloisite 10A and cloisite Na+) results in an increase in mechanical properties, while the addition of tubular silicates (halloysite nanotube) has no significant effect. Addition of clay is not significant on the structural quality of the obtained nanocomposites. PA11 nanocomposite loaded with Cloisite Na+ have shown the best piezoelectric properties. It appears that the higher value of the polarity of Cloisite Na + may be responsible of the best answer to the polarization of the composites. A specific method for the quantification of energy vibration recovery has been developed for these nanocomposites. The capabilities of vibrational energy recovery were studied on PA11 loaded with Cloisite Na+.

L’extension des systèmes de télécommunication génère de plus en plus des ondes électromagnétiques dans notre environnement aux fréquences et puissances très variées. Le temps est venu de faire une étude approfondie sur les possibilités potentielles que nous avons d’utiliser l’énergie contenue dans les ondes électromagnétiques pour alimenter des applications électroniques. L’idée est d’utiliser une ou plusieurs antennes pour récupérer les ondes électromagnétiques disponibles, suivies par un convertisseur des signaux RF/DC. / The work of this thesis is focuse on designing, measuring and testing an antenna and rectifiercircuit (RECTENNA) optimized for incoming signals of low power density (~651W/m²). The rectenna is used to harvest the ambient electric energy from the RF signals that have been radiated by communication and broadcasting systems at (1GHz-3GHz) without matching circuit and the second is a narrow band (1.8GHz-1.9GHz) with a matching circuit between the antenna and the rectifier.

Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté / A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented

La perte d’énergie résultant du processus de regazéification du gaz naturel liquéfié (LNG1) est bien connue et plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour la récupérer. Toutefois, il n’existe pas de chartes pour aider à la conception de systèmes de production de puissance dans le contexte de regazéification du gaz naturel. L’objectif de ce projet est de créer des outils graphiques permettant de connaître la performance maximale de trois systèmes de production de puissance en contexte de regazéification du gaz naturel. Dans un premier temps, deux systèmes de production de puissance sont étudiés, soit le système d’expansion direct (DE) et le système de double expansion (D2E). Des modèles numériques d’optimisation ont été développés afin de maximiser le travail spécifique produit par ces systèmes, le tout pour une large gamme de conditions d’opération. Les nouvelles figures qui en résultent fournissent les valeurs maximales du travail spécifique produit, ainsi que les valeurs des variables de conception optimisées correspondantes (pressions à l’entrée des turbines). Finalement, des analyses de robustesse permettent de mesurer la capacité des systèmes DE et D2E à fournir de bonnes performances lorsqu’ils ne sont pas utilisés dans des conditions optimales. Dans un deuxième temps, un système de production de puissance basé sur un cycle de Rankine rejetant sa chaleur à du LNG est étudié. Des optimisations numériques sont effectuées afin d’obtenir le travail spécifique maximal produit par ce système et les résultats sont reportés sous forme graphique. Ces nouvelles figures fournissent les valeurs du travail spécifique maximal produit pour un large éventail de conditions d’opération, ainsi que les valeurs des quatre variables de conception optimisées correspondantes (pressions d’entrée et de sortie de la turbine, ratio de débit massique, et fluide moteur). De plus, une analyse sousoptimale est faite pour chaque fluide étudié ce qui permet d’identifier lesquels peuvent fournir une performance relative acceptable comparée aux fluides optimaux. / Energy losses occurring while liquefied natural gas (LNG) is regasified are well known in the literature and many methods to recover this energy can be used. However, there is no general guidelines that allow to identify the best designs for power generation systems using thermodynamic cycles in the context of regasification of natural gas. The main goal of this project is to develop graphical tools that allow to determine the maximum performance of three systems of power production in the context of natural gas regasification. First, two power generation systems are studied, namely the direct expansion system (DE) and the double expansion system (D2E). Numerical optimization models are developed to maximize the specific work of the systems for a wide range of operating conditions. The resulting figures provide the values of the maximal specific work and of the corresponding optimized design variables (inlet and outlet turbine pressures). Finally, robustness analyses are performed to measure the capacity of the DE and D2E systems to provide good performances when they are used in non-optimal conditions. Second, a Rankine cycle using regasifying LNG as a heat sink is studied. Numerical optimizations are performed to get the maximal specific work of the system and the results are reported in graphical form. These new figures provide the value of the maximal specific work for a wide range of operating conditions, and also the values of the four corresponding optimal design variables (inlet and outlet turbine pressures, mass flow rate ratio, and working fluid). Furthermore, a sub-optimal analysis is performed for each fluid investigated and the resulting figures allow to identify the fluids that can provide a performance close to the performance provided by the best fluids.

Résumé: La maintenance des structures aéronautiques (fuselage, ailes) est une opération majeure très onéreuse. Elle requiert l'immobilisation des appareils ainsi que le démontage de certaines de leurs parties afin de procéder à leur inspection. Pour permettre une surveillance in situ, des capteurs et actionneurs ont peu à peu été intégrés aux structures aéronautiques. L'utilisation de capteurs et actionneurs sans fil est attirante du fait qu'elle n'implique pas de câblage des noeuds (gain de poids et de coût). Ces noeuds doivent néanmoins être auto-alimentés afin d'être réellement viables_ L'idée est donc de convertir l'énergie mécanique (vibrations) disponible dans les structures d'avions en électricité en utilisant des matériaux piézoélectriques. Les travaux effectués dans ce mémoire permettent d'évaluer le potentiel des récupérateurs d'énergie basés sur les déformations (différents des récupérateurs inertiels) pour alimenter des noeuds sans fil embarqués sur des structures d'avions. Pour cela, des modèles simples sont utilisés pour décrire le comportement dynamique typique des parties de l'avion : une poutre représente l'aile soumise à des charges aérodynamiques et une plaque représente un panneau de fuselage soumis à des champs de pression (bruit de jet et couche limite turbulente). Des matériaux piézoélectriques aussi différents que le PZT monolithique, le composite piézo-fibres et le Polyfluorure de Vinylidêne (PVDF) sont testés dans le but d'évaluer l'influence de leurs caractéristiques (taille, polarisation, capacité, forme des électrodes...) sur la puissance électrique récupérée. Les résultats montrent que pour une excitation aéronautique typique de la poutre (10 Hz et 56 udef), l'énergie produite est de l'ordre de 40 mi pour le PZT monolithique pour une durée de charge de 7 minutes. D'après la littérature, cette énergie est suffisante pour faire des transmissions RF (25 pi). Mais pour d'autres types d'excitations (par exemple le buit de bruit de jet des réacteurs d'avion), il faudra 25 minutes pour produire une énergie de 1 mJ pour le même type de piézoélectrique. L'inconvénient est qu'il faudra attendre de nombreuses secondes avant de charger la batterie du récupérateur d'énergie. Si l'on considère que plusieurs autres organes devront consommer de l'énergie en parallèle, le temps en chaque cycle pourra être de plusieurs minutes. Par conséquent, les récupérateurs d'énergie basés sur les déformations peuvent être utilisés pour alimenter des nœuds sans fil même s'ils ne permettent pas des mesures en temps réel. Cependant, cette approche est une manière simple et pratique de collecter de l'énergie que les autres types de récupérateurs (inertiel, solaire...) puisqu'elle nécessite seulement le collage du matériau piézoélectrique sur la surface vibrante. Enfin, il en ressortira des conseils de dimensionnement pour ce type de récupérateur afin d'en optimiser l'utilisation à partir d'une excitation donnée.||Abstract: Aerospace structural maintenance (fuselage, wings) is a major component of operational costs which requires aircraft to be grounded and some of its parts to be dismantled in order to proceed to inspection. In order to allow in situ monitoring, Structural Health Monitoring (SHM) has been proposed where sensors and actuators are integrated on the structure. To avoid extensive wiring of the nodes, wireless sensors and actuators are attractive but should be self powered to fully benefit from them. One idea is to convert the mechanical energy (vibrations) available all over an aircraft into electricity using piezoelectric materials. This work investigates the potential of strain-based energy harvesters (as opposed to inertial harvesters) to supply wireless nodes on typical aircraft structures. A simple model is used to describe typical dynamic behavior of aircraft components: a beam representing the whole wing subjected to aerodynamic loading and a plate representing a fuselage panel subjected to pressure fields (jet noise and turbulent boundary layer). Various configurations of piezoelectric materials are tested such as bulk PZT, PZT fiber composite and Polyvinylidene Fluoride (PVDF) in order to evaluate the influence of their characteristics (size, polarization, electrodes' shape, capacitance...) on the harvested power. The results show that for a typical aerospace excitation of the beam (10 Hz and 56 mudef), the energy produced is up to 40 mJ with bulk PZT for a 7 minutes loading time. From the literature, this appears sufficient for RF transmission (25 muJ). For other excitation sources (for instance jet noise), the energy produced is up to only 1 mJ with bulk PZT for a 25 minutes loading time. The drawback is that we should wait for several seconds in order to charge the harvester's battery. And, considering that many other components than the RF transceiver will require energy in the meantime, the time laps between two' measures could increase to several minutes. Therefore, strain-based energy harvester could be used for supplying wireless sensor nodes but they would not allow real time measurement. However this approach is a simple and convenient way to scavenge energy compared to other kinds of harvesters (inertial, solar...) since it amounts to bonding a piezoelectric material on a flexible surface. Some design advices are eventually proposed for this kind of harvesters. They could be used for designing a harvester able to produce desired power from a known excitation.[symboles non conformes]

Le but de ce travail de thèse est d'explorer la potentialité des polymères électroactifs pour une application de récupération d'énergie mécanique ambiante.<br /><br />Les polymères électroactifs incluent la famille électronique (piézoélectrique, diélectrique...) et la famille ionique (IPMC, ionic gels...). Grâce à un état de l'art complet, six types de polymères ont été sélectionnés, modélisés analytiquement (couplage électromécanique) et caractérisés. De cette première partie comparative ressortent les polymères diélectriques à la forte densité d'énergie récupérable (1.5J.g-1). <br /><br />La seconde partie de ce travail de thèse concerne la mise en place d'un modèle analytique électro-mécano-thermique le plus fiable possible et adaptable à tous types de structures et de sollicitations. Pour ce faire, une large campagne de mesures électriques et mécaniques a été opérée afin de déterminer finement le comportement physique du matériau, les variations des paramètres intrinsèques et les pertes associées. Ce modèle analytique est validé par une série de tests sur des cas simples de structures.<br /><br />La dernière partie de ce travail de thèse concerne le développement d'une application novatrice : la récupération d'énergie mécanique au niveau du genou lors de la marche humaine. Le convertisseur a été dimensionné grâce au modèle développé, puis testé in situ. Finalement, des pistes pour la gestion électrique autonome de l'application sont proposées.

Aujourd’hui, avec l’envolée mondiale du prix du pétrole, la question énergétique est devenue un sujet d’importance et la possibilité d’exploiter l’énergie ambiante connaitun regain d’attention. Ainsi dans cette thèse, nous nous intéressons aux dispositifs de récupération d’énergie piézoélectrique de vibration dont l’objectif final est de réaliser un réseau de capteurs sans fil (WSN) autonome de faible consommation d’énergie. L’idée est dans un premier temps de prolonger la durée de vie de la batterie, puis dans un second temps de rendrele capteur totalement autonome d’un point de vu énergétique. Les dispositifs actuels étant basés sur la vibration d’une poutre (résonateur mécanique), ils ne sont efficaces qu’à la résonance, avec une faible bande-passante. Ainsi dans ce travail, nous avons tout d’abord proposé une technique de décalage de la fréquence de résonance à l’aide de capacités commutées, cette techniqueréalise un ajustement de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de la source d’excitation et ainsipermetune augmentation de la puissance de sortie. Cette technique a été implémentée avec succès sur un module de capteur WSN avec transmissiond’un signal RF. Toujours dans l’objectif d’agrandir la bande-passante, un résonateur hybride (piézoélectrique/magnétique) bistable associé à une interface électrique (SSHI) a été proposé.Cenouveau et intéressant concept de combiner le résonateur hybride avec une interface à commutation de la tension piézoélectrique a montré, à l’aide de résultats expérimentaux et de simulation,que la puissance est augmentée sur une large bande passante.De plus, afin de rendre le système totalement autonome et de commander les interrupteurs de l’interface électriqueaux instants optimaux, une technique de détection du passage par zéro de la vitesse de vibration a été proposée. Les résultats montrent de bonnes performancesde cette méthode sur toutes lesinterfaces et résonateurs.Contrairement à la méthode classique de détection de la tension crête, la détection du passage par zéro de la vitesse est plus précise. La récupération d’énergie piézoélectrique engendrant un amortissement de la source vibrante, il est possible d’utiliser les mêmes interfaces électriques pour réaliser l’amortissement semi-passif de vibrations de structures mécaniques. Il s’agit d’extraire le maximum d’énergie de la structure en vibration à l’aide de l’élément piézoélectrique. Ainsi, afin de rendre les interfaces électriques pour l’amortissement (SSHD) totalement autonomes, nous avons proposé d’associer la récupération d’énergie piézoélectrique à l’amortissement de structure. L’avantage majeur est qu’il est seulement nécessaire de sacrifier légèrementles performances de l’amortissement pour rendre le système totalement autonome. Les performances ainsi que les limites de cette technique ont été analysées. / Nowadays with the world oil price soaring, the energy issue is becoming a significant topic and the possibility of harvesting ambient energy receiving much attention. In this dissertation, the main topic surrounds improving the piezoelectric energy harvesting device in several aspects and the final objective is to integrate it with low power consumption device, for example a wireless sensor network (WSN) node to extend the battery lifetime and further supply the energy to device directly. Based on the high mechanical quality factor of the structure, the output power of the piezoelectric energy harvesting device will decrease rapidly when the exciting frequency is out of the resonant frequency range. The tunable resonant frequency technique is proposed to broaden the resonant frequency range and increase the output power effectively. Then this technique is successfully combined with a WSN module to transmit the RF signal. To broaden resonant frequency another method is proposed, based on a bistable vibrating cantilever beam and a switching-type interface circuit (SSHI). It's a new and interesting concept to combine these two techniques. The magnets are used to make mechanical behavior non-linear and increase the output power at non-resonance. The SSHI technique through zero-velocity detection can work well when system is driven in non-linear system. The experimental and simulation results through work-cycles discussion show good performance of combining these two techniques. In the interface circuit design, synchronized switching harvesting on an inductor (SSHI) have been verified a successful technique to increase output power in low-coupling system. In order to make use of the SSHI technique in the real application, the velocity control self-powered SSHI (V-SSHI) system is proposed. Unlike the conventional peak detector technique, the zero-velocity detection is used to make the switching time more accurate. The energy flow is separated into three paths to construct the V-SSHI and the experimental results show good performance. When the system is not low-coupled, the SSHI technique will damp vibration.This technique is called SSDI (synchronized switching damping on an inductor). Based on the self-powered technique and zero-velocity detection used in the V-SSHI, these techniques are further applied in structural damping to construct a self-powered SSDI (SP-SSDI). The major advantage is that it is only necessary to sacrifice a small amount of damping performance to make the system fully self-powered. The theoretical analysis and experiment results of time domain comparison and frequency response testing show the limit and performance of the SP-SSDI technique. The SP-SSDI system is a like a feedback loop system and when the displacement is over the limit the SP-SSDI will effectively damp the vibration.

Parmi les principaux verrous à lever pour la mise en place de l’IoT, l’un des plus difficiles concerne l’autonomie des objets. Il est en effet difficilement concevable, vu le grand nombre de composants déployés, d’intervenir sur chacun pour remplacer, ou recharger, leur batterie. Dans ce contexte ma thèse a pour objectif de proposer des solutions éco-énergétique afin de rendre tout ou partie autonome des objets communicants, type capteur. Une des solutions est de développer des récupérateurs d’énergie radiofréquences fonctionnant aux fréquences dans la bande ISM, 900 MHz et/ou 2,4 GHz. Grâce aux modules de récupération d’énergie le capteur pourra fonctionner sur une période théoriquement illimitée, grâce à un module de stockage d’énergie embarqué rechargeable. En pratique, la fiabilité de l’élément de stockage définira le temps de vie du capteur, estimé à une vingtaine d’années avec les cellules de stockage rechargeables actuelles. Les solutions existantes dans le commerce sont presque exclusivement développées sur substrat époxy (ou dérivé). Cette solution est généralement robuste et performante. En revanche la rigidité mécanique du substrat réduit l’intégration des nœuds dans notre environnement, elle devient rédhibitoire dans le cas des réseaux corporels. Afin de permettre au capteur autonome de s’intégrer plus facilement, et d’adresser notamment des applications de type biomédicales, celui-ci sera développé sur substrat souple. Cet objectif pose certains défis quant à la maitrise des procédés de fabrication et de report des composants pour les performances des parties radiofréquences / Electronics has undergone an unquestionable evolution in recent years. The progress made gives more efficient circuits and smaller, but especially more and more energy efficient. This evolution, combined with advances in the digital and IT domain, has enabled the expansion of Internet of Things (IoT) applications based on the massive deployment of autonomous wireless communicating sensors. The first generations of sensor could only work during the time of discharge of their battery. One of the proposed ways to extend the autonomy of objects is to use the ambient energy. Several technologies have been developed to optimize the energy harvesting depending on the environment of the sensor. The work of this thesis allows developing RF energy harvesters in three steps. The first part studies antennas structures compatible with the energy harvesting. Each antenna is optimized to either recover more energy or better integrate into the environment. The second step focuses on the RF / DC conversion circuit. The study of different circuits architectures, diodes and number of stages potentially relevant for our application, allowed realising circuits able to work with our antennas. Each circuit was then optimized to increase its conversion efficiency and its sensitivity. The final step was to assemble an antenna with a rectifier to characterize the complete harvester according two different scenarios: opportunistic energy harvesting and energy transfer conditions.

La récupération d’énergie est un thème de recherche prometteur qui explore un large éventail de sources. Parmi ces sources, on trouve l’énergie mécanique, thermique, électromagnétique, etc. Cette thèse se propose d’explorer des solutions techniques de récupération de l’énergie électromagnétique ambiante. Ce type d’énergie offre une belle opportunité pour participer à l’alimentation, partielle ou complète, d’un système de communication sans fil à basse consommation. Beaucoup d’applications intéressantes telles que les réseaux de capteurs sans fil (WSN), assurant ainsi l’IoT (internet of things), dans le domaine médical et dans la sécurité, sont dotés d’une antenne. Or cette antenne qui est un composant passif volumineux n’est utilisée qu’une faible fraction du temps pour les seules communications. Dans le cadre de la récupération d’énergie RF, l’idée est de mettre à profit ce composant pour glaner l’énergie électromagnétique ambiante, malgré la faible puissance récupérée. Associée à l’antenne, la récupération d’énergie RF est basée sur la mise en œuvre de diodes en redresseurs. Dans ce manuscrit, des diodes intégrées issues d’une technologie moderne : FDSOI 28 nm sont utilisées.A l’issue de ces travaux, trois « runs » dont deux en technologie FDSOI ont pu être réalisés. Des convertisseurs d’énergie RF, du type Dickson, d’un et deux étages, ont été conçus et réalisés à l’aide de cette technologie, mesurés et même comparés à des convertisseurs RF-DC réalisés avec une autre technologie BiCMOS 55 nm. Les convertisseurs réalisés sont à l’état de l’art au niveau du rendement de conversion énergétique pour une puissance donnée de l’ordre de -20 dBm. La technologie FD-SOI offre un nouveau degré de liberté à l’aide de la polarisation de la grille arrière (BG : Back Gate). Cette polarisation du BG permet de modifier les paramètres de l’élément non-linéaire à la base de la conversion. Par ailleurs, une étude sur la réalisation d’une diode Schottky intégrée dans le processus de la FDSOI 28 nm a même été envisagée. A l’issue de ces premières expériences, une méthode d’optimisation de la conception de ces convertisseurs Dickson à partir d’un cahier des charges simplifiée, a été proposée. / Energy harvesting is a promising research theme which analyzes a wide range of sources for the application. These sources can be mechanical, thermal or electromagnetic, etc. Hereby, the work presented explores technical solutions for ambient electromagnetic energy harvesting. Electromagnetic energy is capable of partly or completely supplying energy to low-power wireless communication systems. Many interesting applications are feasible, such as, wireless sensor networks (WSN) ensuring IoT (Internet-of-Things), in the medical field, security, by using equipments containing an antenna. However, the antenna is a voluminous passive component which is utilized merely for a fraction of the time, i.e., just for communications. The underlying idea of RF energy harvesting is to use the antenna to harvest the ambient electromagnetic energy, despite the low power recovered. Associated with the antenna, the RF energy harvesting is based on implementing diodes in rectifiers. In this manuscript, integrated diodes from modern technology: FD-SOI 28 nm are studied.In this work, three run for RF energy harvesting are designed. Two of them are realized in FD-SOI technology. One and two stage Dickson rectifiers for RF energy harvesting using FD-SOI are designed, characterized, measured and compared to RF-DC converters made with 55nm BiCMOS technology. These rectifiers are state-of-the-art in terms of the power conversion efficiency for a given power of the order of -20 dBm. Furthermore, FD-SOI technology offers a new degree of freedom with the back gate polarization (BG). This polarization of the BG makes it viable to change the parameters of the non-linear elements at the base of the conversion. Moreover, an investigation of integrated Schottky diodes using FDSOI 28 nm is presented. At the end of these experiments, a method of optimizing of the design of these Dickson converters based on simplified specifications is proposed.

Le développement des équipements portables, des réseaux de capteurs sans fil et systèmes auto-alimentés d'une manière générale génère une forte demande pour les dispositifs de récupération de micro-énergie. Une des voies les plus intéressantes pour auto-alimenter des dispositifs consiste à développer des systèmes recyclant l'énergie ambiante afin de renouveler sans cesse l'énergie consommée par le dispositif. En dehors de la récupération d'énergie électromécanique, il est également intéressant de convertir l'énergie thermique, qui est «disponible» partout, en énergie électrique. Au cours de cette thèse, la conversion d’énergie thermique en énergie électrique fondée sur des variations temporelles de température a été développée et améliorée. Parmi les matériaux ferroélectriques, des monocristaux de PZN-4.5PT et le terpolymère P(VDF-TrFECFE) 61.3/29.7/9 mol % ont été choisis comme matériaux actifs en raison de leurs propriétés remarquables sous champ électrique. En utilisant des cycles thermodynamiques intelligents, par exemple, Ericsson ou à cycle de Stirling, l'efficacité de la conversion de l'énergie pourrait être considérablement améliorée. Dans la première partie, la récupération d'énergie pyroélectrique en utilisant des monocristaux de PZN-4.5PT a été principalement étudiée sous deux aspects: l'effet de fréquence et des transitions de phase sur les cycles d’Ericsson. Il a été montré que l'énergie récupérée diminue de façon non linéaire avec une augmentation de la fréquence. De plus, l’utilisation optimale des transitions de phase pendant le cycle d’Ericsson permet d’améliorer grandement l’énergie récupérée en choisissant une gamme de température de travail appropriée. A partir de ces résultats, deux cycles d’Ericsson asymétriques (LH et HL) ont été réalisés avec succès. Avec les monocristaux de PZN-4.5PT, le cycle HL est le cycle le plus efficace pour la conversion d’énergie thermique en énergie électrique. La deuxième partie traite de la récupération d'énergie électrostatique via la variation non linéaire de la capacité du terpolymère P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol %. Un cycle d’Ericsson a été réalisé entre 25 et 0°C et comparé à sa simulation à partir de la valeur de la constante diélectrique sous champ électrique DC. La concordance entre la simulation et l’expérience a prouvé la fiabilité de notre évaluation théorique. A partir de la simulation, l'énergie récupérée augmente jusqu'à 240 mJ/cm3 en appliquant un champ électrique de 80 kV/mm. Des cycles de Stirling et d’Ericsson ont également été simulés sous différentes variations de température et champ électriques. L'énergie récupérée augmente avec l’accroissment de la variation de température et de la valeur du champ électrique appliqué et ceci quelque soit le cycle réalisé. Contrairement au cycle d’Ericsson, un cycle de Stirling peut récupérer plus d'énergie pour une même énergie injectée. / The development of portable equipments, wireless sensors networks and self-powered devices in a general manner generates a strong demand for micro-energy harvesting devices. One of the most challenging ways to self power devices is the development of systems that recycle ambient energy and continually replenish the energy consumed by the system. Apart from electromechanical energy harvesting, it is also interesting to convert thermal energy, which is “available” everywhere, into suitable electrical energy. In this thesis, the thermal to electrical energy conversion from temperature fluctuations was developed and improved, and the feasibility of this technique was also confirmed by implementing the experimental experiment. Among different ferroelectric materials, PZN-4.5PT single crystal and P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% were chosen as active materials due to their outstanding properties under electric field. By means of some intelligent thermodynamic cycles, e.g., Ericsson or Stirling cycle, which has been presented in previous research, the efficiency of energy conversion could be improved greatly. In the first part, pyroelectric energy harvesting on PZN-4.5PT single crystals with an Ericsson cycle was mainly investigated from two aspects: frequency effect and phase transitions. It was shown that the harvested energy demonstrated a nonlinear decrease with an increase of frequency, and the optimal use of the phase transitions during the Ericsson cycle could greatly improve the harvested energy by choosing the appropriate working temperature range. Based on it, two asymmetric Ericsson models (L-H and H-L cycles) were attempted successfully, and it was confirmed that the H-L cycle is the most effective thermal energy harvesting cycle for this material. The second part concentrated on electrostatic energy harvesting by nonlinear capacitance variation on P(VDF-TrFE-CFE) 61.3/29.7/9 mol% terpolymer. Ericsson cycle was tested experimentally between 25 and 0°C and compared with the simulation from dielectric constant values obtained under DC electric field. The identical result between simulation and experiment proved the reliability of our theoretical evaluation. It was found, from simulation, that the harvested energy increased up to 240 mJ/cm3 when raising the electric field at 80 kV/mm. The further study on Ericsson and Stirling cycle was also made under different temperature and electric field conditions for evaluation. The harvested energy increases with the rising of temperature variation and electric field in both cycles, but in contrast to Ericsson cycle, Stirling cycle can harvest more energy for the same injected energy.