Depuis des siècles nous utilisons des véhicules équipés des systèmes de suspension de vibrations. Ils permettent d'avoir un confort acceptable et ajoutent de la sécurité à la conduite. Les nouveaux systèmes installés dans les véhicules sont des systèmes actifs. Ils peuvent être adaptés selon les exigences en temps réel. Ces types de systèmes sont utilisés pour l'amortissement de vibrations et pour l’isolation vibro-acoustique. Dans la thèse nous présentons une nouvelle approche d'un système adaptatif pour les applications automobiles. Nous faisons l'hypothèse qu’un portage d'un système centralisé en système distribué peut améliorer son efficacité. Nous proposons un réseau de capteurs sans fil pour l’amortissement de vibrations dans les applications automobiles. Un capteur du réseau est capable de mesurer des vibrations, d’amortir des vibrations et de récupérer l’énergie depuis les vibrations en utilisant un seul élément piézoélectrique (la méthode Serial-SSHI). Ensuite nous validons le réseau de capteurs sur une structure mécanique de type plaque. Les mesures sont comparées avec des simulations d’éléments finis. Les résultats des mesures et des simulations confirment le choix des solutions. Le nœud du réseau fournit ses fonctionnalités destinées avec une efficacité acceptable. Nous validons la récupération d’énergie depuis les vibrations et la mesure des vibrations. Ensuite nous validons un effet local d’amortissement de vibrations et un effet global (le réseau de capteurs permet d’avoir une action d’amortissement complémentaire). / For centuries we have used vehicles equipped with the vibration suspension systems. These systems are used to provide comfort and safety. Nowadays we are implementing the active systems which can be adapted according to the real-time requirements. These types of systems are used to damp vibrations and to provide noise and vibration insulation. In the thesis we present a new approach of an adaptive system for automotive applications. We assume that a porting of a centralized system in a distributed system can improve its effectiveness. We offer a wireless sensor network for damping vibration in automotive applications. A network sensor is able to measure the vibrations, damp the vibrations and energy harvesting from vibrations by using a single piezoelectric element (Serial-SSHI method). We validate the network of nodes on a mechanical structure. The measurements are compared with finite element simulations. The results of measurements and simulations confirm the choice of solutions. The network node provides designed functionality with acceptable efficiency. We also validate the energy harvesting and the vibration measurements. The outcome of the work confirm a local effect of vibrations damping and a global effect (the designed Wireless Sensor Network provides a supplementary damping action).

Cette thèse présente de nouvelles approches pour la gestion d'énergie dans un microsystème autonome. Le microsystème autonome est la nouvelle génération des nœuds de capteurs sans fil. Le microsystème autonome est alimenté via un microgénérateur qui récolte l'énergie ambiante. Cette thèse s'est déroulée dans le cadre du projet européen VIBES (VIBration Energy Scavenging FP6 IST-1-STREP-507911). Ce projet s'intéresse à récolter l'énergie ambiante issue de vibrations mécaniques. La problématique dans la conception du module de gestion d'énergie est la très basse tension (dizaines de millivolts), et l'ultra basse puissance (centaine de nanowatts) fournie par le microgénérateur. Trois approches sont proposées dans cette thèse. La première approche est une technique pour l'amplification de la tension du microgénérateur. Celle-ci est vérifiée par l'application d'une technique de commutation dite SSH (Synchronized Switch Harvesting). Cette technique est validée pour des générateurs de taille centimétrique. L'influence de la réduction d'échelle sur cette technique est étudiée, et une technique plus convenable pour les microgénérateurs est proposée. La deuxième approche est l'utilisation d'un multiplicateur de tension. Ce multiplicateur joue le rôle d'un AC/DC et DC/DC. Il accepte une tension d'entrée d'amplitude très faible (dizaines de millivolts). Le fonctionnement du multiplicateur à ces très basses tensions est basé sur une nouvelle structure de diode à très basse tension de seuil. La troisième approche est la proposition d'un convertisseur AC/DC ultra basse consommation (dizaines de nanowatt). Ce convertisseur peut rectifier des signaux d'amplitude de l'ordre de quelques millivolts. Les trois approches sont implémentées en utilisant deux technologies de fabrication de circuits intégrés.

Cette thèse, de nature expérimentale, rentre dans le cadre de la récupération d’énergie pour les micro-générateurs et l’autonomie des dispositifs électroniques à faible consommation. Ce travail propose les possibilités de récupérer de l’énergie thermique par effet pyroélectrique. L’éner- gie thermique à convertir est une variation temporelle de température. Nous avons proposé deux principales techniques pour produire de l’énergie électrique via une céramique pyroélectrique de type PZT. La première est centrée sur la récupération des radiations infrarouges associé à la tech- nique SSHI. Originellement, la technique SSHI a été développée dans le cas de la récupération d’énergie piézoélectrique, mais nous l’avons appliqué dans le cas de la pyroélectricité et qui nous a permis de maximiser la puissance récupérée d’un facteur de 2. La seconde technique proposée concerne la récupération des fluctuations thermiques provenant des mouvements convectifs nais- sant à l’intérieur d’un fluide dans la configuration de Rayleigh-Bénard. Nous avons mené plusieurs études pour augmenter le transfert convectif dans le but d’améliorer la réponse pyroélectrique et donc maximiser la puissance récupérée. Dans le cas des convections naturelles, le choix de fluide adéquat et l’optimisation des paramètres de contrôle de la configuration Rayleigh-Bénard consti- tuent des étapes primordiales pour aboutir à un meilleur transfert thermique par convection. Dans le cas des convections forcée, il a été étudié l’intérêt de disperser des particules de Cuivre de taille nanométrique dans un fluide porteur pour augmenter plus davantage le transfert convectif. Avec ce nanofluide, la réponse pyroélectrique a été maximisée d’un facteur de 10. / This experimental thesis focuses on the energy harvesting for micro-generators and au- tonomy of electronic devices with low consumption. This work proposes the possibilities of har- vesting thermal energy by pyroelectric effect. The thermal energy to be converted is thermal fluc- tuations. We proposed two main techniques to generate electricity by pyroelectric ceramic. The first one focuses on the harvesting of infrared radiation associated with the SSHI technique. Ori- ginally, the SSHI technique was developed in the case of the piezoelectric energy harvesting, but we applied it in the case of pyroelectricity and which allowed us to maximize the harvested power by a factor of 2. The second proposed technique concerns the harvesting of thermal fluctuations resulting from convective movements originating inside a fluid in the Rayleigh-Bernard configu- ration. We have carried out several studies to increase the convective transfer in order to improve the pyroelectricresponse and maximize the harvested power. In the case of natural convection, the choice of a suitable fluid and the optimization of the control parameters of the Rayleigh-Bernard configuration are essential steps in order to achieve better heat transfer by convection. In the case of forced convection, it has been studied the advantage of dispersing copper nanoparticles in a pure fluid to increase the convective transfer. With this nanofluid, the pyroelectric response was maximized by a factor of 10.

Energiskördning är idag ett växande område och är framstående sett till hållbarhetsaspekterna. Vibrationsbaserad sådan har blivit allt populärare där man kan utnyttja mekanisk energi från olika källor till att generera elektrisk energi. Piezoelektricitet fungerar enligt denna princip och piezoelektrisk energiskördning har varit ett område som fler och fler utnyttjar på grund av dess effektivitet, exempelvis till trådlösa sensornätverk. Ett krav på att piezoelektrisk energiskördning ska fungera optimalt är att vibrationerna sker med en satt frekvens utan större variation, ofta i väldigt höga frekvenser. Syftet med detta projekt är att anpassa denna teknik till mänskliga rörelser vilket kan göra den mer användbar och ett tänkt ändamål kan vara ett demonstrationsexempel för oregelbundna rörelser vid låga frekvenser, precis som mänskliga rörelser. Utmaningen lägger därmed i att utveckla en piezoelektrisk energiskördare som har ett frekvensområde inom mänskliga rörelsers frekvenser på 4 till 7 Hertz, där effektiviteten fortfarande kan vara hög. Detta har beprövats med vibrationsplatta. Vad som observerades var att med flera piezoelektriska material på konsolbalkar i kolfiber av olika dimensioner med olika vikter längst ut, uppstod ett frekvensområde inom mänskliga området med höga spänningar. För att göra det möjligt behövdes vikterna ha en stor massa av upp till hundratals gram så att resonansfrekvenserna kunde vara inom nämnt frekvensområde. Då piezoelektriska material ger en växelspänning, måste spänningen likriktas. Detta gjordes med två olika gränssnitt med ett mönsterkort tillverkat för vardera. Dessa gränssnitt är ett klassiskt som helt enkelt likriktar spänningen, medan den andra, Parallel Synchronized Switch Harvesting on the Inductor (P-SSHI), ska maximera spänningen och effekten. Det visade sig att det inte blev lika lyckat som planerat. Det klassiska gränssnittet gav en likspänning som var nästan lika hög som den inmatade växelspänningen medan det inte gällde för P-SSHI. / Today energy harvesting is an area on the rise and is outstanding in regards to the environmental aspects. Vibration based energy harvesting has become popular where it uses mechanical energy from different sources to produce electrical energy. Piezoelectricity operates according to this principle and piezoelectric energy harvesting has been an area more are using because of its efficiency, with applications such as wireless sensor networks. One demand for piezoelectric energy harvesting to work optimally is that the vibration source must have a well known frequency with minor deviations and this in usually very high frequencies. The purpose of this thesis is to adapt this technology to human motions which could make it even more useful and a proposed usage is a demo product for irregular motions of low frequency, just like human motions. The challenge is hence to create a piezoelectric energy harvester which has a frequency range within the human motions’ frequencies of 4 to 7 Hertz, where the efficiency still could be high. This has been tested using a vibration exciter. What was noticed was that with multiple piezoelectric materials on cantilever beams of carbon fibre with different dimensions and tip masses, a frequency range within human range with high voltages could be created. To make this possible, the masses needed to have a significant mass of up towards hundreds of grams in order for the resonance frequencies to be within the stated frequency range. As the piezoelectric materials provide an AC voltage, the voltage needs to be rectified. This was done with two different interfaces with a PCB created for each. These interfaces are a classic one which simply rectifies the voltage, while the other, Parallel Synchronized Switch Harvesting on the Inductor (PSSHI), is supposed to maximize the voltage and power. This did not turn out to be as successful as predicted. The classical interface delivered a DC voltage almost as much as the provided AC voltage while the P-SSHI interface did not.

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 connait un 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 rendre le 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 technique réalise un ajustement de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de la source d'excitation et ainsi permet une augmentation de la puissance de sortie. Cette technique a été implémentée avec succès sur un module de capteur WSN avec transmission d'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. Ce nouveau 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 électrique aux instants optimaux, une technique de détection du passage par zéro de la vitesse de vibration a été proposée. Les résultats montrent de bonnes performances de cette méthode sur toutes les interfaces 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 légèrement les performances de l'amortissement pour rendre le système totalement autonome. Les performances ainsi que les limites de cette technique ont été analysées.

Low-frequency vibrations typically occur in many practical structures and systems when in use, for example, in aerospaces and industrial machines. Piezoelectric materials feature compactness, lightweight, high integration potential, and permit to transduce mechanical energy from vibrations into electrical energy. Because of their properties, piezoelectric materials have been receiving growing interest during the last decades as potential vibration- harvested energy generators for the proliferating number of embeddable wireless sensor systems in applications such as structural health monitoring (SHM). The basic idea behind piezoelectric energy harvesting (PEH) powered architectures, or energy harvesting (EH) more in general, is to develop truly “fit and forget” solutions that allow reducing physical installations and burdens to maintenance over battery-powered systems. However, due to the low mechanical energy available under low-frequency conditions and the relatively high power consumption of wireless sensor nodes, PEH from low-frequency vibrations is a challenge that needs to be addressed for the majority of the practical cases. Simply saying, the energy harvested from low-frequency vibrations is not high enough to power wireless sensor nodes or the power consumption of the wireless sensor nodes is higher than the harvested energy. This represents a main barrier to the widespread use of PEH technology at the current state of the development, despite the advantages it may offer. The main contribution of this research work concerns the proposal of a novel EH circuitry, which is based on a whole-system approach, in order to develop enhanced PEH powered wireless sensor nodes, hence to compensate the existing mismatch between harvested and demanded energy. By whole-system approach, it is meant that this work develops an integrated system-of-systems rather than a single EH unit, thus getting closer to the industrial need of a ready- to-use energy-autonomous solution for wireless sensor applications such as SHM. To achieve so, this work introduces: Novel passive interfaces in connection with the piezoelectric harvester that permit to extract more energy from it (i.e., a complex conjugate impedance matching (CCIM) interface, which uses a PC permalloy toroidal coil to achieve a large inductive reactance with a centimetre- scaled size at low frequency; and interfaces for resonant PEH applications, which exploit the harvester‟s displacement to achieve a mechanical amplification of the input force, a magnetic and a mechanical activation of a synchronised switching harvesting on inductor (SSHI) mechanism). A novel power management approach, which permits to minimise the power consumption for conditioning the transduced signal and optimises the flow of the harvested energy towards a custom-developed wireless sensor communication node (WSCN) through a dedicated energy-aware interface (EAI); where the EAI is based on a voltage sensing device across a capacitive energy storage. Theoretical and experimental analyses of the developed systems are carried in connection with resistive loads and the WSCN under excitations of low frequency and strain/acceleration levels typical of two potential energy- autonomous applications, that are: 1) wireless condition monitoring of commercial aircraft wings through non-resonant PEH based on Macro-Fibre Composite (MFC) material bonded to aluminium and composite substrates; and wireless condition monitoring of large industrial machinery through resonant PEH based on a cantilever structure. shown that under similar testing conditions the developed systems feature a performance in comparison with other architectures reported in the literature or currently available on the market. Power levels up to 12.16 mW and 116.6 µW were respectively measured across an optimal resistive load of 66 277 kΩ for an implemented non-resonant MFC energy harvester on aluminium substrate and a resonant cantilever-based structure when no interfaces were added into the circuits. When the WSCN was connected to the harvesters in place of the resistive loads, data transmissions as fast as 0.4 and s were also respectively measured. By use of the implemented passive interfaces, a maximum power enhancement of around 95% and 452% was achieved in the two tested cases and faster data transmissions obtained with a maximum percentage improvement around 36% and 73%, respectively. By the use of the EAI in connection with the WSCN, results have also shown that the overall system‟s power consumption is as low as a few microwatts during non- active modes of operation (i.e., before the WSCN starts data acquisition and transmission to a base station). Through the introduction of the developed interfaces, this research work takes a whole-system approach and brings about the capability to continuously power wireless sensor nodes entirely from vibration-harvested energy in time intervals of a few seconds or fractions of a second once they have been firstly activated. Therefore, such an approach has potential to be used for real-world energy- autonomous applications of SHM.

Ultra low power wireless sensors and sensor systems are of increasing interest in a variety of applications ranging from structural health monitoring to industrial process control. Electrochemical batteries have thus far remained the primary energy sources for such systems despite the finite associated lifetimes imposed due to limitations associated with energy density. However, certain applications (such as implantable biomedical electronic devices and tire pressure sensors) require the operation of sensors and sensor systems over significant periods of time, where battery usage may be impractical and add cost due to the requirement for periodic re-charging and/or replacement. In order to address this challenge and extend the operational lifetime of wireless sensors, there has been an emerging research interest on harvesting ambient vibration energy. Vibration energy harvesting is a technology that generates electrical energy from ambient kinetic energy. Despite numerous research publications in this field over the past decade, low power density and variable ambient conditions remain as the key limitations of vibration energy harvesting. In terms of the piezoelectric transducers, the open-circuit voltage is usually low, which limits its power while extracted by a full-bridge rectifier. In terms of the interface circuits, most reported circuits are limited by the power efficiency, suitability to real-world vibration conditions and system volume due to large off-chip components required. The research reported in this thesis is focused on increasing power output of piezoelectric transducers and power extraction efficiency of interface circuits. There are five main chapters describing two new design topologies of piezoelectric transducers and three novel active interface circuits implemented with CMOS technology. In order to improve the power output of a piezoelectric transducer, a series connection configuration scheme is proposed, which splits the electrode of a harvester into multiple equal regions connected in series to inherently increase the open-circuit voltage generated by the harvester. This topology passively increases the rectified power while using a full-bridge rectifier. While most of piezoelectric transducers are designed with piezoelectric layers fully covered by electrodes, this thesis proposes a new electrode design topology, which maximizes the raw AC output power of a piezoelectric harvester by finding an optimal electrode coverage. In order to extract power from a piezoelectric harvester, three active interface circuits are proposed in this thesis. The first one improves the conventional SSHI (synchronized switch harvesting on inductor) by employing a startup circuitry to enable the system to start operating under much lower vibration excitation levels. The second one dynamically configures the connection of the two regions of a piezoelectric transducer to increase the operational range and output power under a variety of excitation levels. The third one is a novel SSH architecture which employs capacitors instead of inductors to perform synchronous voltage flip. This new architecture is named as SSHC (synchronized switch harvesting on capacitors) to distinguish from SSHI rectifiers and indicate its inductorless architecture.