Le présent travail est une contribution au domaine de la récupération de l’énergie. La conversion mise en place est faite à échelle centimétrique, les puissances électriques produites étant suffisantes pour alimenter des dispositifs à basse consommation, comme par exemple les capteurs sans fil. Une technologie innovante pour la récupération de l’énergie thermique est proposée, l’objectif étant de fabriquer des dispositifs fins, flexibles et bas coût pour une utilisation sans radiateur. Le fonctionnement choisi repose sur une conversion de la chaleur en électricité en deux étapes : thermomécanique (réalisée avec des bilames thermiques) et mécano-électrique (réalisée avec des piézoélectriques). Plusieurs prototypes ont été élaborés, aboutissant à des dispositifs matriciels flexibles, d’une épaisseur de quelques millimètres et fonctionnant sans radiateur avec refroidissement par convection naturelle. Les signaux générés sont des pics de tension qui dépassent les 10 V, pour une puissance mécanique disponible autour de 200 µW à 75°C. Plusieurs études ont été réalisées pour l'optimisation des dispositifs et la caractérisation de leurs composants. Leurs lois d’échelle ont été déduites, prédisant un gain en puissance avec la miniaturisation. Des modèles ont été proposés pour le comportement du piézoélectrique et pour le comportement thermique d’un dispositif. Les premiers cas d’usage ont été identifiés et les premiers tests ont été faits dans les environnements proposés par des potentiels utilisateurs. / The present work is a contribution to the domain of energy harvesting. The developed conversion is made at centimeter scale, and the generated electrical power is sufficient for low power devices, as for example wireless sensor nodes. An innovative technology for heat energy harvesting is proposed, with the goal to fabricate thin, flexible, and low cost devices for a use without a heat sink. Their working principle relies on a two-step conversion of heat into electricity: thermo-mechanical (with thermal bimetals) and mechanoelectrical (with piezoelectrics). Several prototypes have been built, resulting in flexible matrix devices that are a few millimeters thick and work without a heat sink with natural convection. The generated signals are voltage peaks above 10 V, for an available mechanical power in the order of 200 µW around 75°C. Several studies have been done for the optimization of the devices and the characterization of their components. Scale laws have been established, and predict significant power gain with miniaturization. Analytical models have been elaborated for the behavior of the piezoelectric and for the thermal behavior of a device. The first use cases have been identified, and the first tests have been performed in environments proposed by potential end users.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz.

Le " Chapitre II : De la simulation...." résume ma connaissance des principales méthodes numériques utilisées en électromagnétisme. Suit ensuite le résumé de mes études les plus représentatives dans le domaine de la simulation numérique en électromagnétisme : une en statique, une en quasi-statique avec couplage faible et une en propagation d'ondes. Souvent seule la méthode appliquée à des cas test est présentée, car leurs niveaux de confidentialité empêchent d'en présenter les résultats quantifiés. Le " Chapitre III :.... À la récuperation " contient tout d'abord un état de l'art de la récupération d'énergie permettant de comparer les performances des différents couples sources/conversion. Pour cela, j'insiste particulièrement sur tous les facteurs à prendre en compte pour choisir le couple optimal dans un environnement donné. Ensuite, on y trouve le résumé des deux thèses et d'un DRT que j'ai co-encadrés dans le domaine. Le " Chapitre IV : perspectives " présente les évolutions de ma carrière scientifique dans les deux axes développés dans ce rapport. Pour les évolutions souhaitables des méthodes numériques de manière générale et plus particulièrement dans mon Département, j'en expose ma vision et comment je prévois d'y contribuer. Pour l'axe énergétique, je présente les travaux prévus afin de conforter nos succès récents ainsi que les collaborations en cours ou amorcées.

Augmenter la durée de vie d'une pile, voire s'en passer est aujourd'hui devenu une obligation pour les microsystèmes. En effet, à cette échelle, le remplacement des piles et leur rejet dans l'environnement sont problématiques. La voie préconisée pour répondre à cet enjeu est d'utiliser des sources d'énergie renouvelables (solaire, thermique et mécanique). Pour cela, nous proposons de développer une plateforme de récupération d'énergie multi-sources/multi-charges (MANAGY) capable de s'adapter à son environnement pour en extraire le maximum d'énergie et répondre à des applications diverses. L'architecture est constituée de chemins directs et de chemins indirects où l'énergie provenant des sources est d'abord transférée dans une unité de stockage avant d'être réutilisée par les charges du microsystème. L'utilisation de cette nouvelle architecture permet d'optimiser le transfert d'énergie entre sources et charges et améliore le rendement du système de 33%. Avant de développer une architecture multi-sources, nous avons cherché à améliorer le rendement de la source photovoltaïque (PV) qui, au vu de l'état de l'art, a la densité de puissance la plus élevée. La recherche du rendement maximum de la source PV revient à la recherche du point de puissance maximum (MPPT). Il existe pour chaque condition d'irradiance, de température, et d'énergie extraites un couple tension-courant permettant à la source de fournir un maximum de puissance (MPP). Grâce à l'utilisation de deux chemins de puissance, nous arrivons simultanément à créer une boucle de régulation faible puissance agissant sur le rapport cyclique du système de gestion d'énergie (MPPT) et une boucle de régulation de la tension de sortie agissant sur le transfert de l'énergie. La modélisation du système nous a permis de spécifier ses performances. Pour atteindre les performances requises, des architectures innovantes ont été réalisées qui ont fait l'objet de trois brevets. De plus, des blocs ne sont activés qu'aux instants de changement d'état du système et sont conçus, quand cela a été possible, avec des transistors fonctionnant en mode faible inversion. Toutes ces optimisations permettent au système de fonctionner sur une large plage de variation de l'éclairement (de conditions intérieures supérieures à 500 lux à extérieures) avec un rendement proche de 90%.

Compte-tenu des défis énergétiques actuels, les systèmes électriques hybrides présentent un atout intéressant en vue d'une meilleure maîtrise de l'énergie, en particulier lors de l'usage de sources d'énergies renouvelables. Ces systèmes permettent de diversifier les sources afin de bénéficier de chacune d'entre elles en respectant leurs propres caractéristiques. Bien entendu, une stratégie de contrôle appropriée doit être mise en oeuvre afin de gérer efficacement l'énergie tout en respectant les caractéristiques et contraintes de chacun des composants (sources, charges) du système. De plus, pour des systèmes d'entraînement, l'électronique de puissance permet de récupérer l'énergie durant certaines phases de fonctionnement, évitant ainsi de la dissiper sous forme de chaleur. La présente étude a été appliquée à un système ascenseur alimenté par plusieurs sources. La première partie de ce mémoire expose les problèmes énergétiques auxquels nous devons faire face aujourd'hui (pénuries des ressources, efficacité énergétique) pour ensuite se focaliser sur les économies réalisables sur les ascenseurs européens. La structure générale de systèmes électriques hybrides est introduite avec des exemples d'applications. Dans une seconde partie, le dimensionnement du système a été réalisé afin de respecter le cahier des charges d'ascenseurs en termes de performances. De plus, nous avons ajouté diverses sources d'énergie ainsi que la possibilité d'effectuer des phases de récupération. Une modélisation de l'ensemble a permis de mettre au point une stratégie de contrôle pour ce système hybride. Les résultats de simulations ont été reproduits expérimentalement montrant des gains d'efficacité non négligeables. Une plateforme expérimentale a été construite afin de valider la stratégie de commande sur un système réel. Le contrôle s'effectue à l'aide de l'outil de prototypage rapide dSPACE, facilitant ainsi la modification de stratégie. Cette plateforme constitue ainsi un outil complet pour la commande de systèmes électriques hybrides en vue de la gestion d'énergie.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour la réalisation de composants passifs dans des applications de conversion d'énergie électrique. Le travail débute avec l'étude et le dimensionnement de deux convertisseurs d 'une puissance de 10 watt intégrant un transformateur piézoélectrique, l'un pour des applications d'alimentation stabilisée de 15 V (convertisseur DC/DC) et l'autre servant a l'alimentation de lampes fluorescentes a cathode froide utilisées pour le retro-éclairage d'écrans TFT de 32 pouces. L'idée étant que le transformateur piézoélectrique présente, dans ces applications, un certain nombre d'avantages compare au transformateur électromagnétique, comme une plus grande compacité et une meilleure compatibilité électromagnétique. L'originalité du travail repose sur la méthode de dimensionnement du transformateur qui n'est plus base sur Le principe de charge optimale mais qui introduit la notion de courant mécanique ou de vitesse maximale de vibration. Cette technique permet également de prédire l'élévation de température ainsi que les pertes du transformateur. On s'intéresse ensuite a l'optimisation et a la gestion de l'énergie au sein du transformateur piézoélectrique. La commutation introduisant des non-linéarités dans son fonctionnement, Le concept de cycle de travail a été introduit permettant une étude et des comparaisons des différentes architectures de conversion. Cela a permis la mise au point d'un nouveau redresseur contr6le par la vitesse de vibration. Ce redresseur actif a été transpose avec succès dans des applications d'amortissement de structure ou encore de récupération d'énergie de vibration.

Récupérer l'énergie mécanique ambiante est une alternative prometteuse afin d'assurer l'autonomie énergétique d'appareils nomades. Le développement des générateurs électrostatiques souples reste toutefois à ce jour anecdotique du fait des hautes tensions de polarisation employées, de la nécessité de grandes déformations mécaniques mais aussi de l'utilisation de matériaux peu conventionnels et mal caractérisés. Le but de cette thèse est d'apporter des avancées scientifiques et des solutions aux verrous technologiques précités. Tout d'abord, une caractérisation rigoureuse des propriétés électriques et mécaniques de deux matériaux communément utilisés pour ces applications (acrylate VHB 4910 et silicone Polypower) nous a donné accès aux propriétés physiques dans un fonctionnement réel de ces polymères : influence de la précontrainte, de la nature des électrodes... Ces données ont permis d'élaborer des lois analytiques fiables que nous avons ensuite insérées dans un modèle thermodynamique permettant de définir avec précision les puissances et densités d'énergie récupérables pour ces générateurs. Des pistes d'amélioration des matériaux utilisés dans les applications générateurs peuvent être dégagées de notre modèle. Le second verrou à lever concerne la source haute tension de polarisation nécessaire à ces générateurs électrostatiques. Pour cela, nous avons proposé une solution innovante couplant l'élastomère diélectrique à un électret. Différentes configurations de générateurs hybrides dans des géométries 2D et 3D ont été évaluées. Enfin, nous avons réalisé un prototype qui a délivré une puissance de l'ordre de 35µW sachant qu'une optimisation de ce prototype est réalisable et que des puissances récupérées de plusieurs centaines de µW sont tout à fait réalistes.

Le sujet de ce travail de thèse s'inscrit dans la récupération d'énergie thermique à l'échelle microscopique pour proposer une alternative aux matériaux thermoélectriques. L'objectif est de concevoir, fabriquer et caractériser un récupérateur microscopique pour tirer profit de l'augmentation des échanges thermiques et des fréquences d'oscillations avec la réduction d'échelle. Il est basé sur une double transduction, thermo-mécanique grâce au flambage d'une poutre bi-couche initialement courbe, et piézoélectrique.Des structures rectangulaires de différents tailles à base d'AlN et d'Al ont été fabriquées et caractérisées. La courbure transverse des plaques rectangulaires étant trop importante, des structures optimisées en forme de papillons ont par ailleurs été fabriquées et caractérisées. / This PhD thesis focuses on the thermal energy harvesting at microscale to propose an alternative to thermoelectric materials. The aim is to conceive, fabricate and characterize a microscopic harvester to take profit of the increase of thermal exchanges and oscillation frequencies with the downscaling. It is based on a double-step transduction: thermo-mecanical one thanks to the thermal buckling of a bilayer plate initially curved, and piezoelectric.Rectangular structures of different sizes composed of AlN and Al have been fabricated and characterized. The transverse curvature of the rectangular plate being to high, optimized structures having a butterfly shape have also been fabricated and characterized.

L'objet de l'étude menée vise la récupération de micro-énergie renouvelable au moyen des matériaux piézoélectriques, pyroélectriques et thermoélectriques. Cette étude porte sur l'optimisation de trois aspects de la récupération de micro-énergie : (i) le couplage entre le générateur et l'environnement, (ii) l'efficacité de conversion d'énergie par le choix adéquat de matériaux et (iii) l'extraction de l'énergie électrique. Des études expérimentales et théoriques ont été menées en premier lieu dans des conditions de laboratoire pour une meilleure compréhension des phénomènes de récupération de micro-énergie, puis dans des conditions réelles pour vérifier les performances effectives des dispositifs réalisés. Concernant l'effet thermoélectrique, une nouvelle méthode de récupération de micro-énergie ambiante et solaire est présentée. Cette méthode utilise les générateurs thermoélectriques et les effets des chaleurs sensibles et latentes des matériaux à changement de phase pour produire des micro-énergies aussi bien de jour que de nuit. Une puissance maximale de 1Wm-2 avec un matériau thermoélectrique (Bi2Te3) a été obtenue. Concernant l'effet pyroélectrique, l'effet des variations des vitesses du vent au cours du temps est exploité. Une variation temporelle maximale de la température de 16°C/mn est disponible, ce qui a conduit à une puissance moyenne récupérée de 0.6mWm-2. Concernant l'effet piézo-électrique, une structure mécanique de type harmonica a été développée ainsi qu'une estimation des efforts d'interaction fluide-structure. Le prototype développé fonctionne à partir des vitesses du vent de 2ms-1 et génère une production d'énergie électrique de 8.9mWm-2. A titre d'illustration, une application typique a été présenté (refroidissement de panneau photovoltaïque). Elle montre une augmentation de la production d'électricité autour de 10%. L'application met en évidence l'utilisation des micro-énergies renouvelables au service de la production de macro-énergie. / The aim of this study is to investigate ambient energy harvesting with coupling effect of piezoelectric, pyroelectric and thermoelectric materials. Three basic problems lie in an energy harvesting process with these coupling effects: (i) design and optimize a structure which is able to accumulate the micro-power from the energy source and transform it into the favorable loading on the active material, (ii) improve the energy conversion efficiency according to the suitable choice of material properties and (iii) develop an energy harvesting circuit which is able to improve the energy conversion efficiency. The developed approach was experimental and numerical studies at first in laboratory conditions for deep understanding of energy harvesting process and then in outside conditions for verifying actual performance of the realized devices. On the thermoelectric coupling effect, a new method of harvesting solar and ambient energy is presented. The method is based on thermoelectric and both sensitive and latent heat effects for energy harvesting day and night. A maximum power generation of 1Wm-2 is achieved with thermoelectric material (Bi2Te3). On the pyroelectric effect, the inherent fluctuation with time of the natural wind speed was used. A maximum time variation of temperature of 16°C/minute was achieved which corresponds to an average power of 0.6mWm-2. On the piezoelectric effect, a mechanical structure which is enlightened from harmonica was developed and dynamic fluid-structure problems were addressed. The developed prototype begins to work for wind speed around 2ms-1 and a maximum power generation of 8.9mWm-2 was achieved. Ultimately, a typical building application (automatic control of water cooling photovoltaic panel) with the harvested solar thermal energy is introduced. The proposed application highlights an example of using harvested micro-energy to improve macro-energy production (around 10%).

Les nouvelles avancées théoriques et technologiques basées sur les nanotechnologies ont permis de remettre au goût du jour la récupération d'énergie utilisant la thermoélectricité. Dans le cas de dispositifs en couches minces, des applications telles que la micro-génération de puissance ainsi que le refroidissement localisé de composants microélectroniques peuvent être envisagées. Des dispositifs en couches minces à base de SiGe présentent l'avantage d'une grande intégrabilité grâce aux technologies issues de l'industrie microélectronique ainsi qu'une faible toxicité comparée aux matériaux classiques utilisés à base de Bi et Te. L'utilisation industrielle de ces matériaux est freinée par les faibles rendements obtenus à des basses températures. Dans le cadre de cette thèse, l'inclusion de nano particules à base de siliciures de Ti et Mo dans des couches minces de SiGe sous forme de super-réseau de boîtes quantiques (SRBQ) a été choisie comme méthode pour augmenter les performances thermoélectriques de ce matériau. Pour cela, un bâtie industriel de type CVD a été modifié et adapté à l'utilisation de précurseurs liquides et solides. Différents SRBQ ont été produits, en variant le type de dopage, la cristallinité et la nature des nano-inclusions utilisées. Les propriétés thermoélectriques de ces matériaux ont été mesurées et l'augmentation des performances de ces matériaux a été démontrée grâce aux inclusions nanométriques. / The recent theoretical and technological advances based on nanotechnology have provided new interest on energy harvesting based on thermoelectricity. For thin film devices, applications such as micro powering and local cooling for microelectronic components can be expected. SiGe-based devices have the advantage of integration possibility thanks to microelectronics technologies and of the low toxicity of SiGe compared to materials tradionally employed for thermoelectric devices such as Bi and Te. SiGe-based devices have not yet been employed in large scale mostly due to its low efficiency at room temperature. In this thesis, the production of quantum dot superlattices (QDSL) based on the inclusion of Ti and Mo silicides quantum dots in a SiGe matrix was chosen as a method to improve the material's thermoelectric properties. In order to accomplish this, an industrial CVD tool was modified to allow the employ of solid and liquid precursors. Different QDSL were produced, with different dopants, crystallinity and inclusions. The thermoelectric properties of the obtained materials were measured and the improvement of the material's thermoelectric performance after the inclusion of nanometric particles was demonstrated.