La récupération d'énergie ambiante permet d’alimenter de manière autonome des systèmes de petite taille tels que des neouds de capteurs ou des objets connectés à internet (IoT) en remplacement des batteries. Les sources d’énergie ambiante sont par exemple, l’énergie solaire, le gradient thermique, les forces mécaniques, le rayonnement électromagnétique et la pile microbienne. Les matériaux piézoélectriques permettent de valoriser électriquement l’énergie mécanique de vibration en la convertissant directement en énergie électrique. Les niveaux de puissance assez faible (de quelques μW au mW) ont amené à développer des interfaces électriques de récupération afin d’extraire le maximum d'énergie en améliorant le couplage électromécanique. Dans ce travail, nous nous intéressons à l’amélioration de dispositif de récupération d’énergie. Deux aspects sont abordés : dans un premier temps l’étude d’un commutateur hybride synchrone électrique-mécanique est faite pour remplacer le transistor MOSFET couramment utilisé, afin de réduire sa consommation d’énergie ; dans un deuxième temps, un travail est mené sur une nouvelle structure mécanique à base de poutres reliées entre elle par des forces de répulsion magnétique. La structure obtenue par cet ensemble de poutres et de type non-linéaire à plusieurs degrés de liberté (MDOF) ce qui permet augmenter la bande passante. / The future trend of Internet of Things (IoT) is bringing energy harvesting in to the core technique due to its requirement of self-power supplying. For best customer interface and eco-friendly issues, additional sensing systems are to be designed small, wireless and self-powering. Energy harvesting provides a way to realize the wireless self-powered system, it enables the device itself to obtain its own energy from their environment. Solar energy, thermal gradient, mechanical forces, are some commonly seen methods to obtain energy from the environment. The piezoelectric energy harvester is chosen to harvest vibrational energy in this study. In this work, a simple model of the original electrical smart switch driven under ultra-low power is proposed. By using the miniature device to drive the smart switch, the efficiency when low power is provided was examined. To construct an energy harvesting system in a more complete aspect, two newly proposed methods are as below: First, the hybrid-electrical-mechanical switches were utilized to replace the commonly seen electrical smart switches, to reduce its energy consumption such as threshold loss. Secondly, we designed a new mechanical structure for the cantilever array by connecting the beams using magnetic repelling force. In this way, the beams within the array were connected physically, forming a nonlinear multi-degree of freedom (MDOF) -like result.

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.

Le contrôle des vibrations est devenu un enjeu majeur et a reçu une attention considérable dans de nombreuses applications industrielles. Diverses approches de recherche ont été exploitées pour réduire les vibrations indésirables. Les matériaux intelligents développés peuvent contrôler et supprimer les vibrations d'une manière efficace et intelligente avec un poids ajouté supplémentaire négligeable par rapport au système. La majorité des recherches sur les matériaux intelligents a mis l'accent sur le contrôle d’une structure composite constituée avec des transducteurs piézoélectriques intégrés ou liés à la structure. Les avantages des matériaux piézoélectriques sont une bande passante élevée, une grande compacité, leur légèreté, leur facilité de mise en œuvre et les leurs bonnes caractéristiques de couplage électromécanique, ce qui les rend appropriés en tant que actionneurs et capteurs. Récemment, une technique de contrôle de vibration semi-passif non linéaire, appelé SSD (Synchronized Switch Damping) a été développée. SSD s'appuie sur une élévation cumulative de la tension aux bonnes de l’élément piézoélectrique résultant de la commutation continue de ladite tension. Il a été montré que les performances d’amortissement sont fortement liées à cette amplitude de tension totale disponible. Basé sur les techniques SSD, une nouvelle approche globale pour l'amortissement des vibrations d’une structure “intelligente” est proposée dans cette thèse. Elle est fondée sur une redistribution modale d'énergie par l'intermédiaire d'un réseau d'éléments piézoélectriques. L'objectif de ce travail est d’augmenter la tension piézo-électrique (directement lié à l'énergie opératoire d’amortissement) pour l'amélioration les performances d'amortissement. Dans cette approche semi-active proposée, l'énergie supplémentaire est fournie par un réseau d'éléments piézoélectriques qui recueille cette énergie sur les différents modes de vibration de la structure. Deux topologies de réseau d'origine sont développées pour le transfert d’énergie. L’une s'appelle SSDT "Synchronized Switch Damping by energy Transfer". L’autre est définie comme SSDD "Synchronized Switch Damping with Diode". L’évaluation et la comparaison des performances sont effectuées sur un modèle représentatif d'une plaque encastrée équipée de plusieurs éléments piézoélectriques dans le cas d’une excitation multimodale. Par rapport à la méthode SSDI modale, des résultats de simulation et un modèle global théorique sont enfin proposés pour démontrer la relation entre l'amélioration d’amortissement réalisable et l'énergie transférée par rapport à l'énergie mécanique de la structure. Ces résultats prouvent la capacité d'un réseau d'éléments piézoélectriques dans la gestion et la redistribution d'énergie de la structure pour améliorer l'amortissement de vibrations d’une structure intelligente. / Structural vibration control is an important issue and has received considerable research attention in many industry applications. Researches investigated various approaches to reduce undesirable vibrations. The smart materials can control and suppress vibration in an efficient and “intelligent” way without causing much additional weight. The majority of research in smart damping materials has focused on the control of composite structure using embedded or bonded piezoelectric transducers. The advantages of piezoelectric materials include high achievable bandwidth, compactness, lightness, easy implementation and good electromechanical coupling characteristics, thus making them appropriate for actuators and sensors applications. Recently, a non-linear semi-passive vibration control technique, so-called Synchronized Switch Damping (SSD), has been developed. SSD technique relies on a cumulative build-up of the voltage resulting from the continuous switching of the piezoelectric voltage and it was shown that the performance is strongly related to this total voltage amplitude available. Based on SSD techniques, a new global approach for improved vibration damping of smart structure, based on global energy redistribution by means of a network of piezoelectric elements is proposed in this thesis. The objective of this work is to propose a new approach to increase the piezoelectric voltage (also related to the damping operative energy) in order to improve the damping performance. In the proposed semi-active approach, the extra energy used to improve this voltage is gathered on the various modes of the structure using an interconnected piezoelectric element network. Two original network topologies are developed for transferring energy. One is named SSDT for “Synchronized Switch Damping by energy Transfer”. The second is defined as SSDD for “Synchronized Switch Damping with Diode”. Performance evaluations and comparisons are performed on a model representative of a clamped plate equipped with piezoelectric elements in the case of multimodal motion. Compared to the Modal-SSDI method used as a baseline, simulation results and a global theoretical model are proposed demonstrating the relationship between the achievable damping improvement and the ratio of transferred energy to the structure mechanical energy, thus proving the capability of a network of piezoelectric elements for global energy management and redistribution in order to improve the vibration damping of smart structures.