Que le phénomène découle d’une prise de conscience des conséquences sur l’environnement, d’une opportunité économique ou d’une question de réputation et de commerce, la réduction des émissions de gaz à effets de serre est récemment devenue un objectif de premier plan. Les individus, les entreprises et les gouvernements effectuent un effort important pour réduire la dépense énergétique de multiples secteurs d’activité. Parallèlement, les technologies de l’information et de la communication sont de plus en plus présentes dans la plupart des activités humaines et l’on a estimé que 2% des émissions de gaz à effets de serre pouvaient leur être attribuées, cette proportion atteignant 10 % dans les pays fortement industrialisés [1, 2]. Si ces chiffres paraissent raisonnables aujourd’hui, ils sont certainement appelés à croître à l’avenir. À l’heure du cloud computing, les infrastructures de calcul et de communication demandent de plus en plus de performance et de disponibilité et imposent l’utilisation de matériels puissants et engendrant une consommation d’énergie importante du fait de leur fonctionnement direct, mais aussi à cause du refroidissement qu’ils nécessitent. En outre, les contraintes de disponibilité imposent une conception d’architectures redondantes et dimensionnées sur une charge crête. Les infrastructures sont donc souvent sous-utilisées et adapter leur niveau de performance à la charge effectivement constatée constitue une piste d’optimisation prometteuse à divers niveaux. Si l’on adopte un strict point de vue environnemental, l’objectif du Green Networking consiste à réduire le volume d’émissions de gaz à effets de serre dues au processus de communication. L’utilisation de sources d’énergie renouvelables ou d’électronique de faible consommation (par exemple asynchrone) constituent des pistes évidentes d’amélioration. / The reduction of power consumption in communication networks has become a key issue for both the Internet Service Providers (ISP) and the research community. Ac- cording to different studies, the power consumption of Information and Communication Technologies (ICT) varies from 2% to 10% of the worldwide power consumption [1, 2]. Moreover, the expected trends for the future predict a notably increase of the ICT power consumption, doubling its value by 2020 [2] and growing to around 30% of the worldwide electricity demand by 2030 according to business-as-usual evaluation scenarios [15]. It is therefore not surprising that researchers, manufacturers and network providers are spending significant efforts to reduce the power consumption of ICT systems from dif- ferent angles. To this extent, networking devices waste a considerable amount of power. In partic- ular, their power consumption has always been increased in the last years, coupled with the increase of the offered performance [16]. Actually, power consumption of network- ing devices scales with the installed capacity, rather than the current load [17]. Thus, for an ISP the network power consumption is practically constant, unrespectively to traffic fluctuations. However, actual traffic is subject to strong day/night oscillations [3]. Thus, many devices are underutilized, especially during off-peak hours when traffic is low. This represents a clear opportunity for saving energy, since many resources (i.e., routers and links) are powered on without being fully utilized. In this context, resource consolidation is a known paradigm for the reduction of the power consumption. It consists in having a carefully selected subset of network devices entering a low power state, and use the rest to transport the required amountof traffic.

Dans le stockage d’énergie, les alternatives aux énergies fossiles sont peu nombreuses. Le stockage d’énergie dans un condensateur, permet d’atteindre de grande puissances électriques, mais pour une densité d’énergie trop faible. La présente thèse à pour objectif la compréhension des nano-céramiques ferroélectriques afin d’augmenter leur densité d’énergie et de se diriger ainsi vers un super-condensateur céramique. Nous avons développé dans un premier temps un modèle par champs effectif moyen du système core-shell. Une fois introduit dans l’énergie libre de Landau, ce modèle donne une idée de la densité d’énergie d’un système ferroélectrique donné. Les calculs – sur quelques pérovskites courantes - indiquent que la densité d’énergie reste relativement faible. Néanmoins nos calculs montrent que l’on peu optimiser le stockage d’énergie dans de telles céramiques en enrobant des grains de forme allongée comme des disques ou des fils. En outre, ce modèle phénoménologique permet d’expliquer de nombreuses mesures expérimentales sur les céramiques, y compris dans le cas ou s’ajoute de la conductivité et de la relaxation de Maxwell-Wagner. Nous nous sommes tournés par la suite vers une modélisation ab-initio : l’Hamiltonien effectif. La modélisation de nano-système core-shell de BaTiO3 a montré la présence d’un paramètre d’ordre particulier : le moment toroïdale. Ce paramètre d’ordre peut impliquer un comportement diélectrique différent. Introduit dans une description phénoménologique de type Landau, ce dernier est responsable de la disparition de la phase orthorhombique dans BaTiO3. La synthèse de nanoparticules de BaTiO3 de formes cubiques et homogènes, nous a permis de faire une série de mesure. Les mesures MET, RAMAN, RX, diélectriques sur les poudres et les céramiques, suggèrent la présences de transitions de phases générées par la présence d’un paramètre d’ordre similaire à celui observé dans modélisation ab-initio. / For energy storage applications, fossils energies are difficult to compete. By storing energy in capacitors, one can get a huge electric power. However the density of energy in a capacitor is too weak to be interesting in energy storage application. The present thesis aims to understand the well known core-shell system in ferroelectric nano-ceramics and the influence of the geometry of the grain in order to determine and optimize the density of energy in this kind of dielectric, going toward an ultra-capacitor of ceramics. We have first developed an effective-medium core-shell model. By introducing this model in the phenomenological Landau Free energy of several ferroelectrics, we can get quantitative information about of density of energy in these materials. Our calculation for common ferroelectrics has shown that the density of energy remains too weak to become interesting. However, the density of energy can be optimized by using nano-disks or nano-rods in a structured ceramic. Our model agrees well with experimental results, even with extrinsic phenomena like the Maxwell-Wagner relaxation. To go further, we have modeled the BaTiO3 core-shell system using an effective Hamiltonian. The model shows that a new order parameter is observed in the core-shell system namely the toroidal moment. This order affects the dielectrics behavior of coated dots, and for important coating can lead to significant differences with Landau predictions. Moreover, by introducing the toroidal moment in Landau formalism, we can predict the disappearance of the orthorhombic phase in BaTiO3.The synthesis of homogenized cubic BaTiO3 particles, allowed us to make experimental measurement. The combination of RX, Dielectric and Raman measurements lead to a phase diagram for BaTiO3 that can be explain by the presence of a toroidal moment.

Ce travail est consacré à l’étude et à la mise au point de récupérateurs d’énergie intégrés à une suspension automobile afin par exemple d’alimenter soit un microcontrôleur, soit des capteurs, soit de réaliser le contrôle santé des pièces ou encore de rendre l’amortisseur au sein d’une suspension d’un véhicule semi-actif autonome en fonction du niveau d’énergie disponible. Compte tenu des types de déplacement disponible dans la suspension, il est naturel de s’orienter vers des techniques électromagnétiques pour la récupération d’énergie liée aux grands déplacements et vers des techniques piézoélectriques pour les vibrations. L’utilisation de tels systèmes s’avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus pour les mettre en œuvre. En premier lieu, une parfaite connaissance des techniques de conversion piézoélectrique et électromagnétique est nécessaire. Dans ce but, le langage Bond Graph est utilisé et appliqué avec succès sur l’ensemble du système de suspension ainsi que sur les récupérateurs d’énergie en raison de sa capacité à traduire les effets physiques et les échanges énergétiques au sein de systèmes multiphysiques. D’autre part, des confrontations simulation/expérience sont réalisées en laboratoire sur chacun des récupérateurs d’énergie piézoélectrique et électromagnétique, afin de s’assurer du bon fonctionnement de ces systèmes lors de leurs intégrations dans un véhicule réel. Ainsi, des défauts de nature différente comme la force magnétique déformant le mouvement de translation de l’amortisseur, la mauvaise conduction des lignes de champ magnétique ou les endommagements du matériau piézoélectrique lors d’essais répétés, sont analysés dans les premiers démonstrateurs afin d'être ensuite corrigés. Enfin, un modèle global de suspension automobile intégrant simultanément les deux sous-systèmes de récupération d’énergie est étudié. Afin de compléter cette analyse, une modélisation du circuit de restitution et du stockage d’énergie est également proposée et permet une étude qualitative et quantitative des performances des systèmes de récupération d’énergie piézoélectrique et électromagnétique. Les résultats issus de ces modèles sont exploités dans le but de concevoir des récupérateurs d’énergie s’adaptant au mieux au domaine de l'automobile. Pour conclure, des tests sur route avec le récupérateur d’énergie piézoélectrique démontrent la validité de l’analyse théorique et la faisabilité des techniques développées. / This work is devoted to the study and the development of energy harvesters integrated in an automobile suspension, for example to supply either a microcontroller or sensors, or to perform an health check of parts or render semi-active the shock absorber within a suspension of an autonomous vehicle according to the level of energy available. Given the types of displacement available in the suspension, it is natural to move towards electromagnetic techniques for energy recovery related to large displacements and to piezoelectric techniques for vibrations. However, the use of such systems is complex and a number of technical issues need to be addressed to implement them. First, a perfect knowledge of piezoelectric and electromagnetic conversion techniques is required. To this end, the Bond Graph language is used and successfully applied to the entire suspension system as well as energy harvesters because of its ability to translate physical effects and energy exchanges into multiphysics systems. Furthermore, simulation / experiment confrontations are carried out in the laboratory on each of the piezoelectric and electromagnetic energy harvesters, to ensure the proper functioning of these systems during their integration into a real vehicle. Thus, defects of different nature such as the magnetic force deforming the translation movement of the damper, the poor conduction of the magnetic field lines or the damage of the piezoelectric material during repeated tests, are analyzed in the first demonstrators in order to be corrected. Finally, a global model of automobile suspension simultaneously integrating the two subsystems of energy recovery is studied. To complete this analysis, a modeling of the circuit of restitution and energy storage is also proposed and allows a qualitative and quantitative study of the performances of piezoelectric and electromagnetic energy recovery systems. The results from these models are used to design energy recovery systems that best fit the automotive field. To conclude, road tests with the piezoelectric energy harvesters demonstrate the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the techniques developed.

Résumé : Le travail de recherche présenté dans ce mémoire fut inspiré par le processus de la photosynthèse qui se produit chez les plantes. Au cours de ce processus l’énergie solaire est convertie en énergie chimique via différentes étapes de transferts d’électrons et d’énergie. En maîtrisant bien ces concepts, de nombreuses applications, telles que les cellules photovoltaïques ou les DEL (Diodes électro-luminescentes) peuvent être améliorées. Pour se faire, il est important d’optimiser les propriétés des matériaux existants (oligomères, polymères, etc…) en préparant des systèmes conjugués plus efficaces, mais aussi de pleinement comprendre les processus qui s’y produisent (processus de transferts d’électrons et d’énergie photo-induist). La série d’oligomères et de polymères présentée dans ce mémoire le sont pour leurs applications dans des systèmes photoniques. Dans cette optique, ce mémoire a été divisé en cinq grands chapitres. Le premier présente les principes théoriques de la photophysique. Le second présente le suivi du transfert d’énergie T[indice inférieur 1] dans les états triplets, T[indice inférieur 1], une dyade constituée de la tétraphénylporphyrine de zinc(II), [ZnTPP], et de la bis(phénylpyridinato)(bipyridine) d’iridium(III), [Ir], chromophores liés avec un pont trans-diéthynylbis(phosphine)-platine(II). Malgré que cette dyade soit entièrement conjuguée et qu’elle soit constituée d’un donneur ([ZnTPP]) et d’un accepteur ([Ir]), aucun transfert d’énergie T[indice inférieur 1] [Ir] → S[indice inférieur 1]/T[indice inférieur 1] [ZnTTP] n’a été observé. Ce résultat fut attribué à l’absence de recouvrement des orbitales moléculaires entre la HSOMO(donneur*) et la HSOMO(accepteur), LSOMO(accepteur) and LSOMO (donneur*) (mécanisme de Dexter). Ainsi, l’échange d’électrons est impossible. Ce chapitre suggère que l’équation de Dexter, k[indice inférieur Dexter] = KJexp(-2r[indice inférieur DA]/L) ne reste qu’une approximation. Ce travail a été publié dans ChemComm (2013, 49, 5544-5546). Le troisième chapitre présente le transfert d’énergie singulet beaucoup lent qu’attendu se produisant dans une dyade constituée d’une porphyrine de zinc(II) avec une porphyrine base libre liées par un pont palladium(II) (trans-PdI[indice inférieur 2]). Sachant que cette dyade est entièrement conjuguée et que la distance entre les deux centres de masse des porphyrines est relativement courte, ce système aurait dû présenter un transfert d’énergie très rapide, d’après la théorie de Förster. Dans ce cas, ce comportement a été expliqué par le faible recouvrement des orbitales frontières (OM) du donneur et de l’accepteur. Ce travail a été accepté le 2014-05-26 dans Chemistry – A European Journal (chem.201403146). Le quatrième chapitre rapporte une étude du transfert d’énergie ultra-rapide (650 fs) entre des états singulets dans une dyade composé d’une porphyrine de zinc(II) (le donneur) et une porphyrine base libre (l’accepteur) liées à l’aide d’un pont de palladium ([beta],[beta]--trans-Pd(NH)[indice inférieur 2](CO)[indice inférieur 2]). Ces résultats ont été attribués à la présence d’un couplage fort entre les OM du donneur et de l’accepteur et de la très faible contribution (atomique) du Pd(II) vers ces OM. Cette dyade montre la plus rapide constante de transfert d’énergie k[indice inférieur ET] que nous connaissons pour des dyades similaires contentant un fragment métallique. Les résultats du troisième et quatrième chapitre montrent que la théorie de Förster tel quel ne suffit pas pour prédire les vitesses de transferts d’énergie dans certains systèmes : d’autres facteurs doivent être pris en compte. Ce travail a été soumis dans JACS ( ja-2014-061774, 19-6-2014). Dans le cinquième chapitre de ce mémoire, la synthèse du bis(-[alpha]-(amino(4-éthynylbenzene (triméthylsilane)(R))))bis(4-éthynylbenzene-(triméthylsilane))quinone diimine (R= H, Boc) comme modèle pour des polymères conjugués et non-conjugués contenant le colorant porphyrine a été proposée. Le corps du composé désiré (tétrakis(4-éthynlyphenyl)quinone-1,4-diimine-2,5-diamine) a montré un transfert de charge partant des groupes terminaux riches en électrons une la benzoquinone centrale plus pauvre. La nature de l’émission fut observée uniquement à 77K pour le cas où R = H et fut attribuée à de la fluorescence. À température ambiante, l’intensité était trop faible pour être observée. Dans le cas où R = Boc, aucune emission n’a été détectée. Malheureusement, le composé espéré ne fut pas obtenu, le procédé de synthèse employé engendra uniquement la forme réduite. Cette forme fut malgré tous analysé, et ne présenta pas de transfert de charge ni de communication entre les différents chromophores. Ceci a été expliqué simplement par le fait que la conjugaison est brisée quand ce composé est sous sa forme réduite. Ce travail sera soumis au Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. // Abstract : The research work presented in this master thesis is inspired by the photosynthetic process occurring in plants where solar energy is converted into chemical energy via several energy and electron transfer processes. In the light of these concepts, several applications such as solar cells and light emitting diodes can be improved. To do so, we need to optimize the properties of polyads, oligomers and polymers to device more efficient conjugated materials as well as developing a full understanding of the photo-induced energy and electron transfer processes that occur. Several organometallic oligomers and polymers are presented in this thesis due to their potential photonic applications. In this respect, this master thesis has five chapters. The first one introduces some theoritical principles of photophysics. The second one presents the monitoring of triplet state (T[subscript 1]) energy transfer in a dyad that consists of zinc(II)tetraphenylporphyrin, [ZnTPP], and bis(phenylpyridinato)-(bipyridine)iridium(III), [Ir], chromophores linked by a platinum(II) containing bridge. Despite the conjugation in this dyad and the presence of the [ZnTPP] energy donor and the [Ir] energy acceptor species, no T[subscript 1] [Ir] → S[subscript 1]/T[subscript 1] [ZnTTP] energy transfer occurs. This result was explained by the absence of MO overlap between HSOMO(donor*) and HSOMO(acceptor), LSOMO(donor*) and LSOMO(acceptor) , and hence no efficient double electron transfer exchange (i.e. Dexter mechanism) is likely to occur. This chapter suggested that Dexter formulation, k[subscript Dexter] = KJexp(-2r[subscript DA]/L), appears as an approximation. This work has been published in ChemComm (2013, 49, 5544-5546). The third chapter shows an unexpected slow singlet energy transfer in a dyad built upon a zinc(II)porphyrin and the corresponding free base chromophores linked by a palladium(II)- containing bridge (trans-PdI[subscript 2]), despite the presence of conjugation and the relative short center-to-center distance. This behavior was explained by two factors, the first is the lack of large molecular orbitals (MOs) overlaps between the frontier MOs of the donor and acceptor, and thus preventing a double electron exchange to occur through the trans-PdI[subscript 2] bridge. The second factor affected the energy transfer is the electronic shielding induced by the presence of this same linker, namely the electron rich iodides, preventing the two VI chromophores to fully interact via their transition dipoles. This work has been accepted on 2014-05-26 in Chemistry-A European Journal (chem.201403146). The fourth chapter reports an ultrafast singlet energy transfer (650 fs) in a dyad composed of a zinc(II)porphyrin (donor) and a free base porphyrin (acceptor) [beta],[beta]-linked via trans- Pd(NH)[subscript2](C=O)[subscript 2]. These results were explained by the presence of strong MO couplings of the donor and acceptor and the very weak atomic contribution of the Pd(II) atom to this MO. This dyad shows the fastest energy transfer rate k[subscript ET] among other similar dyad systems incorporating a bridge either in the form of a metal fragment or carbon-based. The results of these third and fourth chapters showed that the Förster mechanism is not enough to account for the energy transfer in some systems and other factors affect that transfer. This work has been submitted in JACS ( ja-2014-061774, 19-6-2014). In chapter 5, the synthesis of bis-[alpha]-(amino(4-ethynylbenzene (trimethylsilane)(R))bis(4- ethynylbenzene-(trimethylsilane))quinone diimine (R = H, Boc) as a model for conjugated and unconjugated porphyrin dye polymers was proposed. The central core of the desired compound, tetrakis(4-ethynlypenyl)quinone-1,4-diimine-2,5-diamine, provided evidence for a charge transfer interaction from the electron richer terminal groups to be more electron poorer benzoquinone ring. The nature of the emission of the core compound was found to be fluorescence at 77K for the case R = H but was too weak to be observed at 298K. No emission was detected for the case R = Boc. Unfortunately, the synthetic route of the desired compound gave the reduced form. The analyses of the reduced compound showed the complete absence of the charge transfer or any communication between the different chromophores due to the broken conjugation between the porphyrin units in the reduced product. This work will be submitted to Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials.

Le développement des capteurs autonomes et leurs applications dans les « smart-cities », nécessitent de nouvelles méthodes de production d’énergie, basées sur la récupération de l’énergie ambiante. Dans ce contexte, le projet N-air-J a pour objectif de réaliser des microgénérateurs,basés sur des films piézoélectriques flexibles, capables de récupérer l’énergie des courants d’airs. Les travaux réalisés dans cette thèse concernent la réalisation des couches minces piézoélectriques de zircono-titanate de plomb (PZT) déposées sur une feuille d’aluminium, ainsi que les caractérisations structurales, diélectriques, ferroélectriques, et piézoélectriques associées. L’optimisation du générateur est basée sur un procédé de transfert original du PZT depuis l’aluminium vers un substrat polymère. L’intérêt du transfert vers un substrat souple et isolant est de pouvoir réaliser une configuration d’électrodes interdigitées (IDE). Les propriétés de récupération d’énergie des deux configurations PZT/Al et PZT/polymère ont été testées, et la densité d’énergie produite est similaire à l’état de l’art pour des structures plus rigides. L’utilisation d’électrodes IDE a prouvé son intérêt par la génération d’une tension de sortie de plusieurs dizaines de volt. Un modèle analytique a été développé afin d’étudier le comportement de la poutre piézoélectrique utilisée dans ces travaux. Les études expérimentales ont permis de quantifier l’influence des frottements de l’air sur le comportement vibratoire de la poutre. La simulation de l’interaction fluide structure a montré la possibilité d’augmenter les déformations de plusieurs brins au sein d’un réseau de générateurs. / New methods for energy generation based on the ambient energy harvesting are required for autonomous sensors development and their applications in the “smartcities”. In this context, N-air-J project aims to realize micro-generators based on flexible piezoelectric films, able to harvest energy from the breeze. The work presented in this thesis is about the deposition of lead zirconate titanate (PZT) thin layer on aluminium thin foil. Structural, dielectric, ferroelectric and piezoelectric characterizations were realized. The generator optimization is focused on the PZT transfer from aluminium to polymer substrate. The technological process has been developed for the transfer. The use of an insulating and elastic substrate is very interesting for the realization of an interdigitated (IDE) electrode configuration. Energy harvesting properties of the two configurations, PZT/Al and PZT/polymer, were tested. Energy densities were found similar to those of more rigid structures presented in the literature. The use of the IDE confirms its great interest by delivering a voltage of several tens of volts.An analytical model was developed to study the behaviour of the piezoelectric beam used in this work. Experimental studies quantify the influence of air friction on the beam vibratory behaviour. Fluid-structure interaction simulation has demonstrated the possibility for improving the deformations of several beams in a generators network.

Cette thèse a pour but de découvrir la faisabilité et le potentiel de la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques pour les micro et mini véhicules aériens sans pilote. L'atmosphère sert de grande source d'énergie pouvant être récoltée afin d'accroître la performance des petits UAV sous la forme d'une autonomie et d'une autonomie étendues. Il est bien connu que de nombreuses espèces d'oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les véhicules susmentionnés partagent la taille et la vitesse de vol avec des dépliants naturels, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. Cette étude de trois ans visait à établir une dérivation théorique des équations qui décrivent la dynamique de vol d'un aéronef en présence d'un environnement en rafales. La première réalisation a été la démonstration du mécanisme de récupération d'énergie et des paramètres d'influence à travers des simulations décrivant le vol en modèle de masse ponctuelle d'aéronef avec un contrôle optimisé de l'ascenseur en présence d'un profil de vent sinusoïdal et stochastique. La réalisation suivante est liée à un système sensoriel inspiré par la biologie qui utilise des mesures de pression des ailes pour estimer l’angle d’attaque local. Ce système particulier a été utilisé dans l’estimation du champ de vent, en tant que mécanisme décisif et protection contre le décrochage. Enfin, les dernières contributions sont liées à l’expérience et aux résultats obtenus lors d’essais en vol visant à prouver l’augmentation de l’état énergétique de l’avion lors des manœuvres de récupération d’énergie. La première campagne d'essais en vol a été réalisée avec un mini-UAV disponible dans le commerce équipé de sondes à trous multiples et d'un contrôleur conçu sur mesure. Cette campagne a démontré l’augmentation de l’état d’énergie dans un fort gradient de vent horizontal. La deuxième campagne d'essais en vol a été réalisée avec une aile volante équipée d'un système de détection de pression pour l'estimation du champ de vent. Cette campagne a également impliqué des économies supplémentaires sur la consommation d'énergie électrique lors des vols de récupération d'énergie. / This thesis aims at discovering the feasibility and potential of energy-harvesting from atmospheric gusts for micro and mini unmanned aerial vehicles. The atmosphere serves as a great source of energy that can be harvested in order to increase performance of small UAVs in form of extended endurance and range. It is well known that many bird species use various flight techniques for achieving astonishing flight performances. Considering the fact that aforementioned vehicles share size and flight speed with natural flyers, this thesis can be considered as an application of bioinspired flight techniques for man made vehicles. This three-year study set out to establish a theoretical derivation of equations that describe flight dynamics of an aircraft in presence of gusty environment. The first achievement was demonstration of energy harvesting mechanism and influencing parameters through simulations that describe aircraft point mass model flight with optimized control of elevator in presence of sinusoidal and stochastic wind profile. The next achievement is related to a biologically inspired sensory system that uses wing pressure measurements for local angle of attack estimation. That particular system found purpose in wind field estimation, as decisive mechanism and stall protection. Finally, last contributions are related to experience and results gained from flight tests which aimed to prove increase in energy state of the aircraft while performing energy harvesting maneuvers. The first flight test campaign was performed with commercially available mini UAV equipped with multi-hole probes and custom designed controller. This campaign demonstrated the raise in energy state within strong horizontal wind gradient. The second flight test campaign was done with a flying wing equipped with pressure sensing system for wind field estimation. This campaign also involved additional insight savings in electrical power consumption during energy harvesting flights.

Les capteurs sans fil ont un avenir prometteur c’est pourquoi leur développement est àl’origine de nombreuses recherches. Leur autonomie reste cependant un problème à résoudre.Les travaux de cette thèse se concentrent précisément sur cette problématique : trouverune stratégie permettant aux capteurs d’être autonomes en énergie.L’énergie nécessaire à l’alimentation du capteur, quel que soit son mode de fonctionnement,doit en effet être récupérée de l’environnement dans lequel le capteur se trouve. Deplus, en cas d’absence ou d’insuffisance d’énergie environnante, le fonctionnement du capteurdoit pouvoir perdurer. À cela s’ajoute la nécessité de connaitre à tout instant la quantitéd’énergie disponible afin de pouvoir maintenir un niveau de charge constant et ainsi prolongerla vie du capteur. Enfin, toute cette gestion de l’énergie doit pouvoir garantir le meilleurrendement possible.Cette étude a conduit à la conception et au test d’un circuit en technologie CMOS 90nm.Ce même circuit a été intégré dans les capteurs sans fil d’un réseau en cours de développement.Et enfin, une méthode permettant de connaitre le niveau d’énergie embarquée a étémise au point et pourra permettre à l’avenir la conception d’un nouveau circuit de power managementpour capteurs autonomes en énergie. / Wireless sensors have a bright future so their development is causing a lot of research.However, their autonomy is still an issue.This work focuses on this problem : find a strategy for the sensors to be autonomous.The energy required to power the sensor, whatever its working mode, must indeed be harvestedfrom the environment wherein the sensor is located. Moreover, in case of absence ora lack of available energy, the sensor has to keep working. Additionnaly the state-of-chargehas to be known in real time in order to extend the sensor lifetime. Finally, the energy managementhas to give the highest efficiency.This study led to the design and the test of a circuit in CMOS 90nm technology. Thiscircuit was integrated in wireless sensors for networks under development. Finally, a methodto estimate the level of energy in the sensor has been developed and will allow to design anew circuit of power management for wireless sensor network.

Un nouveau capteur acoustique sphérique autonome est proposé. Il est destiné à être immergé dans un milieu liquide ou pâteux pour mesurer certaines propriétés physiques du milieu et récupérer l'énergie vibratoire ambiante pour assurer son autonomie. Le capteur est composé de deux coquilles hémisphériques en plexiglas et d'une bague piézoélectrique en PZ26 fixée entre les deux coquilles. Cette structure peut être utilisée aussi bien en excitateur que capteur. Un modèle de simulation de la récupération d'énergie vibratoire a été développé en considérant seulement deux modes de vibration: mode épaisseur et mode radial. Pour chaque mode, le comportement de l’anneau est décrit par un circuit électromécanique équivalent reliant les ports mécaniques (forces et vitesses) au port électrique (tension et courant). Ce choix est guidé par la possibilité de combiner la partie électromécanique avec l'électronique qui traite l'énergie directement dans un simulateur basé sur Spice. Pour valider cette approche, une simulation par éléments finis a été réalisée et comparée aux résultats produits par le circuit électromécanique. Les fréquences de résonance ont également été vérifiées expérimentalement avec un analyseur d'impédance. Toutes ces vérifications donnent des résultats en très bon accord avec le modèle électromécanique proposé en termes de fréquences de résonance, de tension et de puissance collectées. Enfin, plusieurs validations expérimentales sont présentées avec un prototype de capteur sphérique. Ces validations montrent l’adéquation des prédictions avec les résultats expérimentaux. Finalement, un test du circuit de récupération est effectué en situation réelle. / A new spherical autonomous acoustic sensor is proposed. It is intended to be immersed in a liquid or pasty medium to measure some physical properties of the medium and should harvest ambient energy to ensure its autonomy. The sensor is composed of two Plexiglas half-spherical shells and a PZ26 piezoelectric ring clamped between the two shells. This structure can be used as well as in exciter or sensor. A simulation model of vibrational energy harvesting has been developed considering only two modes of vibration: thickness and radial modes. For each mode, the ring behavior is described by an equivalent electromechanical circuit connecting the mechanical ports (forces and velocities) to the electrical port (voltage and current). This choice is guided by the possibility to combine the electromechanical part with the electronics that process the energy directly in a Spice based simulator. To validate this approach, a finite elements simulation was realized and compared to the electromechanical circuit results. Resonance frequencies were also verified experimentally with an impedance analyzer. All these verifications give results in very good agreement with the proposed electromechanical model, as well as in terms of resonant frequencies, harvested voltage and power. Finally several experimental investigations are presented with a prototype of spherical sensor. These validations show the adequacy of the predictions with the experimental results. Finally, a test of the harvesting circuit is done in real situation.

La mise en œuvre de réseaux de capteurs communicants dans des installations industrielles, dans les transports ou le bâtiment apparaît comme un axe de développement qui permettrait d'augmenter les performances globales de ces systèmes.Par une supervision et une exploitation adaptées des informations collectées (température, niveau vibratoire, humidité, etc.), la fiabilité et les performances énergétiques pourraient être optimisées.La diminution régulière de la consommation des nouvelles générations de capteurs sans fil engendre un fort intérêt scientifique pour l'alimentation de ceux-ci de manière autonome. Ainsi, une thématique de recherche spécifique est apparue il y a une dizaine d'années : la réalisation de micro-sources d'énergie pour l'alimentation de capteurs communicants.Ces travaux de recherche proposent l'exploration des performances d'une structure de micro-générateur originale pour la récupération de l'énergie des vibrations : l'"Hybrid Fluid Diaphragm" (HFD).Le concept de l'HFD consiste à encapsuler un fluide incompressible entre deux membranes.Le fluide se comporte comme une masse inertielle qui induit une fréquence de résonance compatible avec les vibrations ambiantes dont les fréquences sont généralement inférieures à quelques centaines de Hertz.Ces membranes en P(VDF-TrFE), un polymère piézoélectrique, ont été réalisées spécifiquement pour assurer la conversion optimale des sollicitations mécaniques (flexion/tension) en énergie électrique.Une modélisation multiphysique qui intègre les comportements fluidiques, mécaniques et électriques, la réalisation et la caractérisation de deux générateurs HFD sont détaillées.Le premier prototype met en œuvre des membranes piézoélectriques monomorphes (monocouche) tandis que le deuxième exploite des membranes piézoélectriques bimorphes (double couche) optimisées.Les puissances générées apparaissent suffisantes pour envisager l'alimentation de capteurs et leurs géométries permettent d'imaginer des scénarios potentiels d'intégration dans des applications réalistes. / The implementation of wireless sensor nodes in industrial installations, transport or building is a potential route to increase the performances of these systems.By a proper supervision and exploitation of the collected information (temperature, vibratory level, humidity, etc.) the reliability and the energy performances can be increased. With the regular reduction of the power requirements for new generations of wireless sensors nodes, a strong scientific interest to develop autonomous power supply has raised.In this framework, a specific research topic appeared about ten years ago: ambient energy harvesting.The present work investigates the performances of an original micro-generator architecture for vibration energy harvesting: the “Hybrid Fluid Diaphragm” (HFD).The concept of HFD consists in encapsulating an incompressible fluid between two flexible membranes. The fluid behaves as an inertial mass which leads to a resonant frequency suitable for ambient vibrations whose spectrum is usually lower than a few hundred Hertz.These membranes are made of P(VDF-TrFE), a piezoelectric polymer, and are designed to ensure the optimal conversion of the mechanical solicitations (flexion/stretch) into electrical energy.A multiphysic modeling which integrates the fluid, the mechanical and the electric coupled behaviors is proposed.The realization and the characterization of two HFD's generators are detailed.A first prototype implements single layer piezoelectric membranes, whereas a second one uses optimized double layer membranes.The generated power appears to be sufficient to consider the power supply of wireless sensor nodes operating in intermittent transmitting mode. The very simple geometry of the proposed generators is favorable to their integration in realistic applications.

L’utilisation de paliers magnétiques est de plus en plus fréquente étant donné les avantages que cette technologie apporte. En effet, ces derniers permettent de léviter un objet rotatif grâce à un champ magnétique. Un roulement à billes peut être substitué par un palier magnétique. Cette substitution permet de réduire les entretiens, diminuer les pertes par friction et augmenter la durée de vie du système. Des applications nécessitant d’hautes vitesses de rotation et des pertes réduites constituent des situations exemplaires de l’utilisation de cette technologie. Un palier magnétique est une technologie avec de nombreux avantages et certains inconvénients. Par exemple, un palier magnétique hybride est un système naturellement instable et la force d’attraction magnétique est une équation fortement non-linéaire en fonction du courant et de l’entrefer. Ces caractéristiques démontrent qu’une loi de commande est nécessaire afin de stabiliser le palier magnétique. De plus, la loi de commande doit être précise et rapide. Les principales applications d’un palier magnétique incluent une rotation de l’objet en lévitation. Ceci nécessite une erreur en régime permanent nulle et une commande ajustable rapidement afin d’assurer une stabilité en tout temps. Ce mémoire traite de la validation expérimentale d’une loi de commande linéaire sur un palier magnétique sans rotation jumelant des aimants permanents et des électroaimants. Dans la littérature actuelle, la plupart des études portent sur les paliers magnétiques actifs, c’est-à-dire qui ne comportent que des électroaimants. L’ajout d’aimants permanents diminue la consommation énergétique du palier magnétique mais augmente la complexité de la loi de commande. Le présent mémoire démontre qu’il est possible de stabiliser un palier magnétique hybride homopolaire en utilisant une loi de commande linéaire tel le PID (proportionnel, intégral, dérivé). Cette étude apporte des nouvelles données à la littérature, en validant à l’aide d’un montage expérimental la loi de commande conçue et simulée à partir de MATLAB[indice supérieur MC].