Lors de la prospection sismique, un réseau de capteurs, utilisant principalement des géophones, est déployé à la surface libre afin d'enregistrer les ondes sismiques provenant du sous-sol. Cependant, l'énergie captée par ces géophones est largement dominée par les ondes de surface ou ondes de Rayleigh produites par la source. Étant donné leur nature, ces ondes de surface ne contiennent aucune information sur la composition des couches géologiques profondes. De ce fait, il est nécessaire d'employer un réseau très fin de capteurs dans le but de caractériser précisément ces composantes puis de les filtrer par des techniques de traitement du signal. Toutefois, les coûts engendrés nécessitent de nouvelles méthodes d'acquisition des ondes sismiques, employant moins de capteurs et permettant d'élargir le pas du réseau. Une telle technique a été mise en évidence, moyennant une mesure précise des rotations de la surface libre. La piste explorée dans ce manuscrit est l'utilisation d'un capteur MEMS haute performance pour mesurer les rotations de la surface libre, avec un coût, un poids et une consommation électrique minimaux. Plus particulièrement, le choix s'est porté sur la réalisation d'un accéléromètre angulaire, mesurant la rotation d'entrainement de son référentiel. La conception du capteur MEMS proposé utilise une technique de mesure différentielle de capacités et un contrôle en boucle fermée reposant sur la modulation ΣΔ. Un important travail de modélisation et de simulation a permis la fabrication de plusieurs prototypes qui ont ensuite été caractérisés. Une résolution fondamentale de 3 mrad.s-2 RMS dans une bande de fréquences comprises entre 60 Hz et 200 Hz a ainsi été obtenue. Les performances mesurées surpassent de loin celles d'autres accéléromètres angulaires de la littérature. Finalement, des analyses comparatives avec d'autres instruments de mesure ont permis de conclure sur la faisabilité de notre solution pour la prospection sismique. / In seismic exploration, most of the signal acquired by point-receiver geophones is dominated by surface waves or ground rolls. Because they propagate in the near surface, ground rolls do not contain any information on deeper targets. Thus, short spacing between receivers is required so that this noise component can be accurately characterized and removed by digital filtering. However, considering the cost of seismic exploration ventures, new acquisition techniques using fewer point receivers and larger spacing have to be developed. Such a technique is briefly introduced in this dissertation, requiring accurate measurements of ground rotations at the free surface with minimum cost, weight and power consumption. To address this need, the thesis proposes a high-performance rotation sensor based on MEMS technology. Unlike vibrating gyroscopes, sensitive to rotation rates through Coriolis effect, the solution developed is an angular accelerometer designed for differential capacitance measurements. A feedback controller is also implemented utilizing an oversampled ΣΔ -modulator to increase dynamic performances of the system. Thorough analytical designs along with simulations are challenged by fabricated prototypes measurements to achieve a high-sensitivity, high-resolution device. An experimental resolution of 3 mrad.s-2 RMS in the frequency band 60 Hz - 200 Hz is then obtained, which is far better than other micromachined angular accelerometers from literature. Moreover, comparison analyses are performed with specific instruments used for rotational seismology to conclude on the feasibility of a MEMS-based rotation sensor for seismic exploration.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d’énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L’objectif recherché est d’apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d’une part d’améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d’autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (< que 1KHz) compatible avec le spectre de nombreuses sources vibratoires usuelles. Une série de modélisation par éléments finis d’un convertisseur type (poutre avec masse sismique) a établi les paramètres dimensionnels optimaux de la zone nanostructurée. L’efficacité de ce procédé de nanostructuration localisée a ensuite été évaluée expérimentalement sur des membranes en silicium. Il a été observé une réduction de la fréquence de résonance du mode fondamental, tout en minimisant les pertes par un choix judicieux de l’emplacement et de la largeur de la zone poreuse. (ii) Le développement de dispositifs récupérateurs à sensibilité multidirectionnelle. Ces dispositifs permettent de récupérer l’énergie quel que soit la direction de la sollicitation externe. Ils exploitent 3 modes propres distincts de flexion sollicités chacun par une composante particulière (ax, ay ou az) du vecteur accélération caractéristique de la sollicitation. Ces dispositifs basés sur une structure planaire de type double poutres orthogonales avec masse sismique centrale sont facilement intégrables et peuvent être déclinés de l’échelle centimétrique à l’échelle millimétrique en utilisant dans ce cas les technologies de type MEMS. Un modèle analytique simple a d’abord mis à jour les mécanismes énergétiques qui permettent d’obtenir une quantité d’énergie constante lorsque le dispositif est soumis à un vecteur sollicitation de direction quelconque. L’optimisation du coefficient de couplage électromécanique de chaque mode fonctionnel, ainsi que l’ajustement de leur fréquence de résonance ont été obtenu à l’aide d’un modèle à éléments finis. L’ensemble de ces résultats théoriques a été expérimentalement validé à l’aide de prototypes centimétriques. / This thesis work focuses on the development of new piezoelectric energy recovery systems from environmental mechanical vibration. The goal is to provide solutions to some strong constraints on the miniaturization of these systems, their integration in MEMS technology. The 2 major lines followed in this work are: (i) the nanostructuring by porosification silicon substrate. This method allows to create functionalized areas having local properties of density and lower rigidity than those of the silicon substrate. This allows on the one hand to improve the overall electromechanical coupling coefficient of the structure and, secondly, to maintain the resonant frequency of the operational mode in a low frequency range (< 1KHz) compatible with the spectrum of Many conventional vibratory sources. A series of finite element modeling of a type converter (beam with seismic mass) established the optimum dimensional parameters of nanostructured area. The effectiveness of this localized nanostructuring method was then evaluated experimentally on silicon membranes. It was observed a reduction of the resonance frequency of the fundamental mode, while minimizing losses by a judicious choice of the location and the width of the porous zone. (Ii) The development of recovery devices multidirectional sensitivity. These devices allow to recover energy regardless of the direction of the external load. They use 3 different eigenmodes bending each solicited by a particular component (ax, ay and az) vector solicitation characteristic acceleration. These devices based on a planar structure type double orthogonal beams with central seismic mass can be easily integrated and can be broken down to centimeter scale at the millimeter scale using in this case the MEMS technologies. A simple analytical model was first updated energy mechanisms that enable a constant amount of energy when the device is subjected to a bias vector in any direction. The optimization of the electromechanical coupling coefficient of each functional mode, and the adjustment of their resonance frequency were obtained using a finite element model. All these theoretical results has been experimentally validated using centimeter prototypes.