Le sujet de thèse concerne l'analyse de la propagation des ondes dans les structures complexes et leurs exploitations pour le contrôle semiactif et le contrôle de santé de structures intelligentes. Les structures composites munies de patches piézoélectriques sont la cible principale des investigations. Les patches piézoélectriques sont disposés avec une périodicité. Des travaux précédents ont montré l'intérêt de ce type de configuration pour l'amortissement actif de modes de structures en basses fréquences. L'objectif principal de cette thèse est l'extension de ces constatations dans une bande de fréquences plus large : basses et moyennes fréquences. La maîtrise des paramètres de propagation et de diffusion des ondes est la finalité recherchée. Dans ce cadre, les travaux proposés se baseront sur une technique particulière développée au sein de l'équipe Dynamique des Systèmes et des Structures: la technique WFE (Wave Finite Element), Ondes par éléments finis. Cette approche, construite à l'aide d'un modèle éléments finis d'une cellule représentative de l'essentiel des paramètres de propagation et de diffusion des ondes dans les structures. Elle a été validée sur des cas simples de structures, principalement isotrope monodimensionnel. La modélisation dans ce cas des sandwichs plaques composites munies de couches piézoélectriques sera opérée. Des simulations numériques poussées seront effectuées afin de cerner le cadre d'application de la WFE pour ce type de structures. Des optimisations pourront être réalisées avec ces outils numériques afin d'obtenir des paramètres géométriques et électriques optimaux dans la conception des structures intelligentes. Les travaux de cette thèse sont intégrés dans le projet CALIOP en collaborant avec le laboratoire de Mécanique Appliquée R.Chaléat de l'Institut FEMTOSTet G.W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Institute of Technology.

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) ont été développés dès le début des années 1980 en s'appuyant sur la technologie de l'industrie microélectronique. Ils ont d'abord été utilisés dans les accéléromètres et les airbags des automobiles. Depuis lors ils se diversifient et connaissent un important essor, notamment grâce à la rapidité De la réponse des matériaux piézoélectriques. La technologie des couches minces piézoélectriques a permis la miniaturisation et les déformations sous tensions d'actionnement plus faibles. Parmi les matériaux piézoélectriques, les films minces de PbZrTiO3 (PZT) morphotropique sont fréquemment utilisés pour leurs propriétés électromécaniques remarquables. Le PZT fabriqué par la voie sol-gel au CEA Leti est à l'état de l'art mondial. Dans le souci de continuer à être compétitif, plusieurs stratégies de R&D sont envisagées, notamment des études approfondies de la microstructure des films PZT pour l'optimiser, afin d'atteindre les propriétés ultimes du PZT. Dans ce but, cette thèse recherche les corrélations entre la microstructure et l'effet piézoélectrique du PZT. Le PZT morphotropique massif, apparu dans les années 1950, est un matériau bien étudié du point de vue microstructurale et piézoélectrique. Il existe plusieurs théories expliquant ses performances piézoélectriques au niveau microscopique. Pour citer les plus connues, le basculement de domaine des phases tétragonale et rhomboédrique, le réarrangement des nano-domaines rhomboédriques, la rotation de l'axe de polarisation dans la phase monoclinique et la transition de phase. Les films minces de PZT morphotropique sont apparus dans les années 1990. Leur microstructure diffère radicalement du PZT massif. Le PZT sol-gel étudié dans ce manuscrit, est contraint et possède une orientation préférentielle des cristaux, des domaines nanométriques et un gradient chimique de Zr et Ti dans l'épaisseur. Notre but est d'étudier les liens entre la microstructure complexe de ces films et leurs propriétés piézoélectriques en utilisant la caractérisation par diffraction des rayons X (DRX). Grace à l'accès au nano-faisceau à l'ESRF, nous avons pu étudier l'influence du gradient chimique de Zr/Ti sur la microstructure de PZT. Les résultats ont montré que la variation de concentration de Zr et Ti engendre une variation du rapport des phases tétragonale et rhomboédrique dans l'épaisseur de la couche. Cette variation suit les oscillations de Zr/Ti dans les films observées par SIMS. Cette observation montre la sensibilité de la microstructure sur la composition chimique. De même, il en résulte la possibilité d'améliorer l'homogénéité de composition du PZT et de ses performances. Car plus le PZT est homogène en composition, meilleurs sont ses coefficients piézoélectriques (d33, e31). Par la suite nous avons effectués des expériences in-situ sous champ électrique sur des capacités contenant le PZT avec le gradient de composition atténué. La microstructure de PZT a été affinée en utilisant la phase tétragonale et rhomboédrique. A 0V, on estime que le PZT contient 40% de phase rhomboédrique et 60% de phase tétragonale. A 30V, on n'observe plus que la présence de la phase rhomboédrique. Les résultats montrent une diminution de la proportion de phase tétragonale au profit de la phase rhomboédrique sous champ électrique. Pour finir nous avons étudié l'influence du gradient de concentration sur l'amplitude du changement de phase en analysant deux échantillons de gradient Zr/Ti différents par DRX in-situ. Nous avons pu montrer que plus l'échantillon est homogène chimiquement, plus il est sujet à la transition de phase sous champ électrique et plus il est performant piézoélectriquement. Finalement, afin d'améliorer les performances piézoélectriques des films PZT, nous proposons de fabriquer des films plus homogènes et plus riches en Ti pour amplifier la transition de phase dans les films. / MEMS have been developed since 1980, when they appeared as derivatives from the microelectronic industry. They were first used in accelerometers and car airbags. They have diversified since then and expanded. One of the main contributors to this expansion are piezoelectric materials. Among them, PbZrTiO3 (PZT) is widely used for its outstanding piezoelectric performances. Sol-gel PZT thin films fabricated at CEA are worldwide state of the art. In order to stay competitive, several R&D strategies have been developed. One of them is a detailed study of PZT microstructure in order to draw correlations with the piezoelectric effect in PZT films. The goal of this study is to optimize PZT microstructure aiming to reach its best piezoelectric properties. For this purpose, this thesis takes advantage of numerous studies performed on PZT bulk ceramics in order to analyze PZT thin films microstructure and its modifications with voltage. PZT bulk ceramics of morphotropic composition are now well known from the piezoelectric and microstructural point of view. There are several theories explaining the piezoelectric effect at the microscopic level, namely tetragonal and rhombohedral domain switching, rhombohedral nanodomains rearrangement, polarization axis rotation in the monoclinic phase and the phase transition.Morphotropic PZT thin films have emerged more recently. Their microstructure is very different from the bulk PZT. Indeed, sol-gel PZT films studied in this manuscript are stressed and contain preferred oriented nanoscale crystals and Ti/Zr composition gradient through the film thickness. Our goal is to study links between the complex microstructure of these films and their piezoelectric properties using X-ray diffraction (XRD).Thanks to the nano-beam at ESRF, we were able to study the influence of the Zr/Ti chemical gradient on the PZT microstructure. Our observations showed that the composition gradient gives rise to a variation of the tetragonal and rhombohedral phase ratio in the layer thickness. This variation follows Zr/Ti composition oscillations evidenced by SIMS. This experiment shows the sensitivity of PZT microstructure to the PZT chemical composition. At the same time, it suggests the possibility of improving the composition homogeneity of PZT and its performances. The more the PZT composition is homogeneous, the better the piezoelectric coefficients are.Then, we performed in-situ XRD under electric field experiments on a capacitor containing the PZT active layer with an attenuated Zr/Ti gradient. The PZT diffraction pattern was refined using the tetragonal and the rhombohedral PZT phases. At 0V PZT contains 40% of rhombohedral phase and 60% of tetragonal phase. At 30V, no tetragonal phase is observed any more. Results show an electric field induced phase transition from the tetragonal to the rhombohedral phase.Finally, we used in-situ XRD to study the influence of Zr/Ti composition gradient on the amplitude of the phase transition of two PZT samples with different Zr/Ti gradient. We showed that the more the sample is homogeneous in composition, the more phase transition it exhibits and the more it is performant.Finally, to improve the piezoelectric performances of PZT films, we propose to improve PZT compositional homogeneity and slightly increase the Ti content to promote the tetragonal phase in order to amplify the phase transition under voltage.

Que son intérêt soit environnemental ou économique, qu’elle s’applique aux macro, micro ou nano systèmes,la récupération d’énergie est une solution permettant de s’affranchir du remplacement, de la recharge ou même de l’utilisation de piles. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre Oxylane (Decathlon) etle CEA et son objectif est la conception d’un circuit électronique de gestion permettant de récupérer l’énergie mécanique humaine pendant une pratique sportive afin d’alimenter un capteur communicant sans fil. Le système électronique développé dans ce travail exploite l’énergie électrique issue de récupérateurs piézoélectriques,l’extrait et la met en forme grâce à une technique d’extraction efficace et un circuit de puissance approprié.Face au comportement aléatoire de l’être humain fournissant une énergie mécanique intermittente et irrégulière,la topologie Flyback et la technique d’extraction SECE ("Synchronous Electric Charge Extraction") sont utilisés. Le récupérateur est déchargé à son maximum de tension par l’intermédiaire d’une inductance couplée et de deux transistors MOSFETs commandés. Ce travail propose une nouvelle variante de SECE : la technique MS-SECE ("Multi-Shot Synchronous Electric Charge Extraction") permet de transférer l’énergie en plusieurs paquets afin de diminuer les pertes résistives ou le volume du circuit magnétique. Afin de satisfaire la contrainte d’encombrement de l’application visée par Oxylane, un circuit de récupération implémentant cette nouvelle technique est fabriqué en technologie intégrée CMOS 0,35 μm. L’ASIC possède une consommation très faible(1 μW) et commande le circuit de puissance et quelques composants discrets. De cette façon, l’énergie électrique est convertie efficacement vers une capacité réservoir sous 3V. De plus, grâce à ses deux modes de fonctionnement("passif non-optimisé" et "actif optimisé") utilisés successivement, le circuit démarre sans énergie initiale et fonctionne sans batterie rechargeable. Le système final est compatible avec une grande variété de récupérateur piézoélectriques, notamment lorsque leur tension de sortie est élevée (>50V), et permet l’autonomie en énergie d’un capteur communicant sans fil consommant environ 100 μW. / No matter what its purpose is, economic or environmental, energy harvesting is a relevant solution to replaceor to get rid of primary batteries. This thesis is part of a collaborative laboratory between the CEA and Oxylane(Decathlon) and its aim is the design of a power management circuit which harvests mechanical energy fromhuman movements during sport practice in order to power aWireless Sensor Node (WSN). The electronic circuitwhich has been developed in this work recovers energy from piezoelectric harvesters, extracts and conditionsit thanks to an efficient energy extraction technique and to an appropriate power circuit. In response to therandom behavior of human body which supplies an intermittent and irregular energy, the Flyback topology andthe Synchronous Electric Charge Extraction technique (SECE) are employed. The energy harvester is dischargedat its maximum voltage through a coupled-inductor and two MOSFETs transistors. This work proposes a newextraction technique, derived from SECE : MS-SECE ("Multi-Shot Synchronous Electric Charge Extraction")transfers the energy in several magnetic discharges which decreases the resistive losses or the size of the magneticcomponent. In order to satisfy the size constraints aimed by Oxylane, an integrated circuit, fabricated in theAMS 0,35 μm CMOS technology, implements the MS-SECE autonomously. This very low power (1 μW) ASICcontrols the power circuit and a couple of external components. This way, the electrical energy is efficientlyconverted towards a buffer capacitor under 3V. Furthermore, thanks to its two operating modes (passive/nonoptimizedand active/optimized) successively employed, the circuit self-starts and works without battery orinitial energy. The complete system is compatible with a large variety of piezoelectric harvesters, especiallywhen their output voltages are large (>50V). Finally, it enables the complete autonomy of a WSN consumingaround 100 μW.

Les actionneurs piézoélectriques se distinguent par leurs faibles temps de réponse et leurs rapports déflexion/ tension d’actionnement élevés. Dans ces travaux, nous nous attacherons à optimiser la déformation de matériaux piézoélectriques. La première approche consiste à augmenter le champ dans la couche active et la seconde à optimiser les coefficients piézoélectriques du matériau. Pour répondre à des problématiques d’actionnement basse tension, des couches de nitrure d’aluminium (AlN) ultraminces ont été déposées et caractérisées. Le coefficient e31,eff s’est avéré être constant entre 800 et 50 nm d’épaisseur, à une valeur de -0,8 C/m², ce qui est proche de l’état de l’art. Le caractère piézoélectrique de l’AlN à une épaisseur de 12 nm a été mis en évidence. Toujours dans l’optique de travailler à champ électrique élevé, une étude visant à augmenter le champ de claquage du titano-zirconate de plomb (PZT) par insertion d’atomes de lanthane a été menée. Le champ de claquage est amélioré de 35% environ, sans que la permittivité diélectrique et les coefficients piézoélectriques ne soit dégradés. La seconde approche consiste à optimiser les coefficients piézoélectriques. Pour cela, le Titano Zircoate de Plomb a été étudié au voisinage de différentes transitions de phases. La transition morphotropique est particulièrement favorable au niveau piézoélectrique, avec un coefficient e31,eff qui atteint -18 C/m² hors champ et -27 C/m² sous champ. La problématique de blocage de parois de domaines a été abordée. La transition de Curie se manifeste principalement au niveau diélectrique, avec une permittivité relative qui atteint 2640 à 370°C, soit près du double de la valeur mesurée à température ambiante. Les pertes diélectriques diminuent entre 25°C et 280°C, pour atteindre 1,6 %. Afin de bénéficier d’une transition critique, du PZT fortement dopé au lanthane a été déposé.Un comportement relaxeur a été mis en évidence et un coefficient piézoélectrique induit d31 de -25 pm/V a été mesuré. Les matériaux développés dans cette thèse ouvrent des perspectives pour la réalisation de microactionneurs et notamment de têtes d’imprimantes jet d’encre. / Piezoelectric actuators exhibit low response times and high deflection/actuation voltage ratios. This PhD thesis aims at optimizing their strain values by increasing the applied field and the piezoelectric coefficients. To target low voltage issues, Aluminum Nitride (AlN) ultrathin layers were deposited and characterized. e31,eff coefficient was found to be constant between 800 and 50 nm, at a value as high as -0.8 C/m². Piezoelectric behaviour was also shown for 12 nm-thick AlN layers, by three different ways. Still in order to apply high electric fields, a study was carried out to improve Lead Zirconate Titanate (PZT) breakdown field, by inserting lanthanum atoms. Breakdown field was improved by approximately 35%, with no decrease of permittivity or piezoelectric coefficients. Another optimization approach consists in increasing the material’s piezoelectric coefficients. In this view, PZT was characterized around several phase transitions. Near morphotropic phase boundary, piezoelectric effect was found to be enhanced: e31,eff coefficient raises up to -18 C/m² at low field conditions and -27 C/m² in actuating conditions. Domain wall pining issue was also discussed. Near Curie transition, dielectric properties were found to be enhanced, with a dielectric constant rising up to 2640 at 370C, which is almost twice as high as room temperature value. Furthermore, dielectric loss decreases from 25C to 280C to reach 1.6%. To profit from a critic phase transition, highly Lanthanum doped PZT was deposited. Relaxor behaviour was shown and an induced piezoelectric coefficient d31 of -25 pm/V was measured. Materials developed in this PhD thesis can be used to realize microactuators and especially inkjet printheads.

Le domaine de l’assistance cardiaque connait actuellement une rupture technologique avec l’apparition du pacemaker sans fil. Grâce à ces nouveaux dispositifs, la prise en charge des patients est simplifiée. En outre, la suppression des sondes devenues obsolètes devrait permettre une réduction drastique des problèmes rencontrés avec les pacemakers traditionnels. Cependant, la question de l’alimentation reste posée. Dans ce travail de thèse, nous tentons d’apporter une solution à base de microgénérateur piézoélectrique inertiel récupérant une portion de l’énergie vibratoire des battements cardiaques. La démarche suivie consiste tout d’abord à définir le besoin et la pertinence d’une solution à base de récupérateur d’énergie. Nous analysons ensuite l’allure de signaux cardiaques qui ont été enregistrés à l’aide d’accéléromètres directement positionnés sur le site de stimulation. On montre ainsi que le gisement vibratoire adressé (i.e. les battements cardiaques) imposent des récupérateurs vibrant aux alentours de 16 Hz. Ces fréquences sont extrêmement faibles en comparaison des microgénérateurs présentés dans la littérature (typ. > 100 Hz). Dans un second temps, et indépendamment de considérations purement technologiques, nous établissons, à l’aide de modèles analytiques et numériques, le dimensionnement optimal permettant de répondre simultanément aux spécifications dimensionnelles et au niveau de puissance récoltée nécessaire. Cette phase d’optimisation montre qu’un compromis entre fréquence de résonance et puissance délivrée doit être fait et, plus particulièrement, que celui-ci conduit à l’expression d’un besoin en termes d’épaisseur de couches piézoélectriques auquel aucune des technologies standards ne permet de répondre. Nous présentons, dans ce manuscrit, les travaux qui ont ainsi été menés pour développer une technique de réalisation de couches épaisses de PZT (typ. 15 à 100 µm) par amincissement de céramiques massives. Ce mode de réalisation est enfin mis en œuvre pour la fabrication d’un démonstrateur à l’échelle, de type poutre encastrée-libre bimorphe vibrant à 16 Hz. Nous montrons finalement que les résultats obtenus à partir de battements cardiaques reproduits en laboratoire (10-15 µW) sont en ligne avec les besoins exprimés pour la mise en œuvre d’une solution d’alimentation pour pacemaker sans fil. Ce travail de thèse a été conduit dans le cadre du projet HBS (Heart Beat Scavenging) notamment en collaboration avec la société LivaNova-Sorin CRM (Cardiac Rythm Management). Il est fortement probable que la décision initiale d’articuler l’ensemble de tâches accomplies autour des besoins de l’utilisateur final soit une des clés de la réussite de ce travail. En effet, les démonstrateurs développés dans ce travail de thèse ont, par la suite, été testés avec succès sur l’animal. Ils ont également donné lieu à un nouveau projet dont un des objectifs est d’adresser les aspects de fiabilité et de vieillissement. Ces nouvelles tâches correspondent ainsi à la poursuite de la montée en TRL (Technology Readiness Level) vers les étapes de pré-industrialisation. / The field of cardiac assistance is currently experiencing a new technological breakthrough with the introduction of the leadless pacemaker. With these new devices, the care of patients is simplified. Furthermore, removal of the leads should allow a drastic reduction of the problems encountered with conventional pacemakers. However, the question of the energy supply remains. In this thesis, we try to provide a solution based on piezoelectric inertial micro-generator in order to harvest a portion of the heartbeat vibrational energy. The approach is to first define the need and relevance of a solution based on energy scavenging. We then analyze the cardiac signals that were recorded using accelerometers positioned directly on the stimulation site. It is shown that the addressed vibration source (i.e. heartbeats) impose the devices to vibrate at around 16 Hz. These frequencies are extremely low compared to microgenerators presented in the literature (typ.> 100 Hz). Secondly, regardless of technological considerations, and using analytical and numerical models, we identify the optimal device dimensions in order to simultaneously meet the specifications in terms of size and required harvested power. This optimization phase shows that a trade-off between resonant frequency and output power must be made and, more particularly, that it leads to the expression of a need in terms of piezoelectric layer thickness to which none of the standard technologies can currently answer. Therefore, we present the work that has been undertaken to develop a technique for producing thick layers of PZT (typ. 15 to 100 µm) by the thinning and the polishing of bulk ceramics. Then, this technique is implemented for the fabrication of our demonstrator: a cantilever of bimorph type vibrating at 16 Hz. Finally, we show that the obtained results (10-15 µW) from heartbeats reproduced in the laboratory are in line with the expressed needs for the implementation of an energy supply solution for leadless pacemakers. This thesis work has been conducted in the frame of the HBS project (Heart Beat Scavenging) especially in collaboration with the company LivaNova - Sorin CRM (Cardiac Rhythm Management). It is highly believed that the original decision to articulate all the tasks that we performed around the end user needs was a key to the success of this work. Indeed, the demonstrators developed in this thesis have subsequently been successfully tested on animals. They also led to a new project whose objectives are to address the reliability and aging of these demonstrators. These new tasks correspond to the continuation of the TRL increase (Technology Readiness Level) to the stages of pre-industrialization.

La technologie de récupération d’énergie correspond au processus de conversion de l’énergie ambiante en énergie électrique utile à travers l’utilisation d’un matériau ou d’un transducteur spécifique. Cette énergie ambiante est présente généralement dans l’environnement du dispositif électronique autonome. L’exploitation de cette énergie peut permettre d’alimenter des dispositifs électroniques autonomes, sans l’utilisation de batteries conventionnelles. Parmi les différentes sources d’énergie ambiantes (solaire, flux d’air, flux thermiques, vibrations, etc.), les vibrations ambiantes sont une des sources d’énergie les plus répandue et suscitent ainsi un nombre croissant de travaux de recherche. Cette thèse porte sur la conception d’un dispositif complet de récupération de l’énergie des vibrations qui est adapté à des vibrations ambiantes large bande à partir de transducteurs piézoélectriques. Le système comprend un générateur piézoélectrique qui transforme l’énergie vibratoire mécanique en énergie électrique et un circuit d’extraction qui extrait et stocke l’énergie générée dans un élément de stockage. La première partie de la thèse présente une structure linéaire intégrant deux butées mécaniques symétriques. Les performances entre cette structure et une structure linéaire classique sont comparées dans plusieurs cas d’excitation. La raideur linéaire par-morceaux de la structure proposée permet d’agrandir considérablement la largeur de la bande fréquentielle de fonctionnement du générateur piézoélectrique. La deuxième partie de la thèse propose un circuit d’extraction d’énergie avancé nommé OSECE (Optimized Synchronous Electrical Charge Extraction). Il s’agit d’une amélioration de la technique SECE (Synchronous Electrical Charge Extraction). Le circuit électronique et la stratégie de commande de commutation sont simplifiés, mais l’efficacité de conversion d’énergie est également accrue. En outre, le circuit de OSECE est une interface d’extraction faiblement dépendante de la charge, ce qui est une caractéristique favorable à la récupération d’énergie vibratoire large bande. Afin de rendre le circuit de OSECE capable de fonctionner de façon autonome, la troisième partie de la thèse propose deux méthodes d’autoalimentation dédiées à la technique OSECE. L’une est une approche électronique qui utilise des circuits de détection de maximum pour piloter les interrupteurs électroniques; l’autre est une approche mécanique qui intègre des butées mécaniques exploitées comme interrupteurs mécaniques synchrones, ceux-ci étant entraînés passivement par la vibration elle-même. Enfin, une plate-forme de démonstration pour le dispositif de récupération de l’énergie de vibration est développée et mise en œuvre au laboratoire. / Energy harvesting technology describes the process of converting ambient energy surrounding a system into useful electrical energy through the use of a specific materialor transducer. It has the ability to offer the prospect of powering autonomous electronic devices such as wireless sensor nodes without the use of conventional batteries. This thesis focuses on harvesting ambient vibration energy using piezoelectric materials, aims to address the challenge for the high performances of vibration energy harvesting devices (VEHDs) in the case of wideband vibrations. A typical piezoelectric based VEHD mainly comprises a piezoelectric generator (PEG) that transforms mechanical vibration energy into electrical energy and an energy extractioncircuit (EEC) that extracts and stores the generated energy into a storage element. Both of them need to be investigated and specially designed to enhance the power density in wideband vibrations. Consequently, the thesis starts on studying and modeling a classical linear PEG, then an advanced piecewise-linear PEG using two symmetrical mechanical stoppers is proposed and compared with the linear one. Several key parameters of the proposed PEG are discussed under the forward sweeping mechanical excitation. The different performances between the two PEGs are also presented under three kind of excitation signals. Hence, the thesis moves to study and model three EECs, which is also the major work of the thesis. Among them, standard EEC is the classical and simplest extraction circuit, but the energy conversion using this circuit is limited and strongly depends on the load. Synchronous electric charge extraction (SECE) EEC enhances the energy conversion of piezoelectric materials, it is also a load-independent circuit whose characteristic is very suitable for wideband vibrations. However, it introduces a complex switch control strategy that cannot be easily self-powered in stand-alone VEHDs. For this reason, we proposed anovel EEC named optimized synchronous electric charge extraction (OSECE) circuit. Not only the electronic circuitry and the switch control strategy are simplified, but also the energy conversion effectiveness is enhanced. The OSECE EEC is a load-weakly-dependent circuit, which is also a favorable characteristic for wideband vibration energy harvesting. The analytical expressions of the harvested powers using the above three EECs are derived and confirmed by the experimental results. Some additional energy losses in the nonlinear EECs are also listed and analyzed by using a simulation software. Since the OSECE EEC optimizes its switch control strategy, two kinds of self-powered approaches based on the OSECE technique are proposed in chapter 4. One is an electronic approach that uses peak detector (PKD) circuits to drive the switches synchronously; the other is a mechanical approach that integrates mechanical stoppers used as synchronous switches, so the switches are passively driven by the vibration itself. As a result, the second approach introduces an advanced VEHD which consists of the piecewise-linear PEG due to the mechanical stoppers and the nonlinear OSECE EEC. Finally, a power management unit which can directly provide the standard direct current (DC) voltage for the electronic modules is presented. A demonstration platform for the vibration energy harvesting technology are developed and evaluated in the laboratory environment.

La récupération d'énergie à partir des sources de vibration est une des stratégies développées pour l'alimentation de capteurs autonomes communicants. La variabilité des gisements vibratoires dans l'environnement constitue un défi notable pour l'obtention de performances satisfaisantes et appelle au développement de dispositifs de récupération d'énergie à large bande passante. Les générateurs basés sur des oscillateurs mécaniques non linéaires bistables ont démontré des performances particulièrement intéressantes. Grâce à l'effet de conversion fréquentielle notamment, la plage de fonctionnement est considérablement augmentée. Une nouvelle architecture de générateur bistable basée sur un oscillateur non linéaire et des composants piézoélectriques est proposé dans la thèse. Ce générateur possède des caractéristiques particulièrement favorables en termes de compacité et de simplicité. Des études théoriques et expérimentales ont été menées. En utilisant les excitations canoniques dans le cas de systèmes dynamiques non linéaires (balayage fréquentiel et bruit blanc), les gains obtenus par rapport à des générateurs linéaires ont été quantifiés. Les performances du générateur proposé sont également supérieures à celles des générateurs bistables de la littérature. Une attention particulières a été portée à l'étude des réponses dynamiques non linéaires complexes révélant la présence d'attracteurs étranges et l'influence des conditions initiales. Une analyse spectrale est également utilisée pour améliorer la compréhension du comportement du générateur. L'adimensionnement des équations d'équilibres donne à ces analyses une portée générique. Selon le modèle normalisé développé, la performance d'un générateur bistable est liée à quatre paramètres critiques: l'amortissement structurel, le niveau de couplage électromécanique, le niveau de flambement et la fréquence caractéristique. Un facteur de mérite est proposé et constitue un élément de comparaison pertinent entre générateurs. Une stratégie de conception optimale a été élaborée et mise en œuvre pour la réalisation d'un générateur miniaturisée. Après une caractérisation expérimentale complète utilisant les signaux canoniques, son potentiel d'application à des cas plus proches des environnements réels a été étudié en répliquant en laboratoire l'excitation mesurée sur un véhicule en roulage. L'association du générateur bistable avec une technique d'extraction d'énergie non linéaire a été réalisée : la technique OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) est choisie. Les gains de performances obtenus pour différents niveaux de couplage électromécanique dans le cas des excitations canoniques sont étudiés. L'énergie récupérée est considérablement augmentée en cas de faibles couplages électromécaniques. Lorsque celui-ci est plus élevé, les performances sont comparables à celles obtenues avec un simple pont redresseur, mais l'indépendance à l'impédance d'entrée du circuit alimenté dans le cas de la technique OSECE peut être un avantage déterminant pour des applications réelles. Finalement, compte tenu des gains attendus par l'approche combinée oscillateur bistable et technique OSECE, l'auto-alimentation du circuit actif OSECE est réalisée dans le cas d'un oscillateur bistable par des moyens mécaniques. La complexité du générateur est légèrement augmentée dans la mesure où des butées mécaniques et un système de contacteurs électriques sont ajoutés. Les résultats démontrent le potentiel de l'approche qui capitalise les bénéfices de l'oscillateur bistable et du circuit d'extraction non linéaire. / As scavenging the energy from the vibration sources has the wide adaptability and the easy feasibility of integration with other sources, it becomes one of the hottest topic in the energy harvesting field. Numerous works have been done to enhance the harvested power by optimizing the interface circuit and the mechanical structure. The variability of the environmental vibrations introduces a challenge to the conventional linear harvesters and calls for the development of wideband vibration generators. Plenty of approaches have been proposed. Bistable generators have shown some of the best properties of the frequency-up-conversion effect at the low frequency range and the bandwidth increase from the nonlinear backbone response. A novel bistable generator with a BSM (Buckled-Spring-Mass) architecture is proposed in the thesis. This BSM generator possesses some especially desired properties of compactness and simplicity. Utilizing the chirp and noise excitations, experimental and numerical investigations have shown that it effectively extends the operation bandwidth compared with linear generators. The performance is also demonstrated to be better than most of the reported bistable generators. The complex nonlinear dynamics have been studied, including the strange attractor and the influence of the initial condition. A spectrum method is also used to give more details about the motion of the BSM generator. According to the developed normalized model, the BSM generator's performance is related to four critical parameters: structural damping, electromechanical coupling level, buckled position and characteristic frequency. Applying the concluded optimization and design procedures, a miniaturized BSM generator of the millimeter scale has been produced and tested. The application potential is further investigated with a replicated realistic excitation from the wheel of a driving car. Moreover, a wireless demonstration platform has been constructed to exhibit the wideband operation ability.A figure of merit is proposed to make fair comparisons between the literature nonlinear wideband generator and the BSM generators. Chapter 4 presents a novel energy harvesting solution which combines the BSM generator with a nonlinear extraction technique: the OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) technique is used along with the BSM bistable generator.The performances of the proposed solution for different levels of electromechanical coupling coefficients in the cases of chirp and noise excitations are compared against the performance of the BSM generator with the standard technique. It is shown that the harvested energy is drastically increased for all excitations in the case of low electromechanical coupling coefficients. When the electromechanical coupling coefficient is high, the performance of the OSECE technique is not as good as the standard circuit for forward sweeps, but superior for the reverse sweep and band-limited noise cases in the tested range. Finally, a self-powered approach for the combination of the BSM generator and the OSECE circuit is realized by replacing the electronic switches with mechanical switches and introducing additional stoppers. It allows wideband harvesting capability, high harvested power and autonomous features. A model of this novel generator is detailed and experimentally validated. Discussions and optimizations are performed to find the optimal parameters and fully investigate the performance of the proposed generator. It shows that introducing the stoppers and the self-powered OSECE circuit using mechanical switches can substantially enhance the harvested power with moderate additional complexity.

Le bruit généré par les avions lors des phases de décollage et d'atterrissage est un sujet d'intérêt actuel dans l'industrie aéronautique. Il peut devenir critique avec l'urbanisation croissante des populations, celle-ci contribuant à l'augmentation du trafic aérien et le rapprochement des aéroports avec les zones habitées. Pour prévenir cette problématique, les centres de recherches et les industriels de l'aéronautique se regroupent pour développer des solutions technologiques communes. Dans le cadre général de ce projet sur la réduction du bruit global des avions civils, un système de réduction se base sur le principe du contrôle actif du bruit tonal d'interaction rotor/stator. Celui-ci est en effet, avec le bruit de jet, une des principales causes de nuisance sonore au décollage et à l'atterrissage. Pour cela, des sources d'anti-bruit sont placées à l'intérieur du conduit à proximité de l'interaction rotor/stator afin de l'annuler. L'objectif de ce projet de maîtrise est de modéliser une des sources d'anti-bruit utilisée dans le contrôle. Celle-ci est placée sur chaque aube composant la grille de stator. Elle est constituée d'une aube dans laquelle est inséré un actionneur piézoélectrique. Ce dernier est ensuite recouvert de plaques perforées permettant de garder une transparence acoustique et un profil aérodynamique, puis commandé électriquement. Le comportement vibratoire de l'aube instrumentée est simulé à l'aide du logiciel éléments finis COMSOL MULTIPHYSICS. Cela permet d'estimer le rayonnement acoustique de la source secondaire. Les paramètres du modèle sont ensuite ajustés par des mesures expérimentales puis les résultats obtenus validés expérimentalement. Cette caractérisation vibro-acoustique conduit au final à la modélisation de l'aube instrumentée par une source acoustique compacte, que l'on peut introduire dans un modèle analytique simplifié de turboréacteur afin de réaliser des simulations de contrôle.

L'allègement des structures est un enjeu économique important dans les domaines d'activités industrielles telles que l'automobile, l'aéronautique ou le naval, qui intègrent peu à peu les matériaux composites dans la fabrication des structures. Cet allègement s'accompagne d'un raidissement de la matière qui implique des problèmes de vibrations et d'isolation acoustique. Plusieurs méthodes de traitement existent pour diminuer les vibrations ou le bruit rayonné d'une paroi, mais ces méthodes ont l'inconvénient d'augmenter significativement la masse de la paroi. Afin de répondre à cette problématique, il est proposé dans cette thèse de modifier le comportement dynamique des structures à partir d'un réseau périodique de patchs piézoélectriques shuntés avec un circuit électrique dont il est possible de modifier l'impédance. En contrôlant ainsi le comportement dynamique des patchs piézoélectriques, il est possible de contrôler le comportement vibratoire de la structure et donc de traiter les problèmes de transmissions solidiennes ou de transmissions aériennes.La méthode de shunt choisie est la méthode dite de shunt à capacité négative qui permet de modifier la rigidité d'une structure. Cette méthode dite semi-passive présente plusieurs avantages : la mise en œuvre est simple, il est possible d'intégrer les patchs directement à l'intérieur de la paroi, elle consomme une faible quantité d'énergie électrique et sa mise en application est peu onéreuse. / Making the structure lighter is an important economic stake in the field of industrial activities such as automotive, aeronautic or naval, which gradually integrate composite materials in the manufacturing of structures. This reduction of the mass goes along with a stiffening of the matter implying acoustics and vibrations issues. Several methods exist to reduce vibrations or acoustic radiations of structures, but these methods increase the mass. In order to answer the problematic, we propose to change the dynamic behavior of structures with a periodic lattice of piezoelectric patches shunted with an electrical circuit whose the impedance can be controlled. Therefore, the control of the coupled behavior of the piezoelectric patches allows the control of vibrational wave's diffusion inside the structure and so to treat the structure-borne vibrations and airborne acoustics emission. The shunt method chosen is negative capacitance shunt which allows to modify the rigidity of a structure. This semi-passive method has several advantages: the implementation is simple, it is possible to integrate the patches directly inside the wall, it consumes a low amonte of electrical energy and its implementation is inexpensive.

Les céramiques piézoélectriques, comme le Titatano-Zirconate de Plomb (PZT), peuvent produire une tension électrique quand elles sont soumises à une contrainte mécanique et, inversement, se déforment sous l'effet d'un champ électrique. Ce couplage électromécanique peut être décrit par des équations de comportement linéaires pour des chargements modérés. Cependant, au-delà de certaines valeurs de champ électrique ou de contrainte mécanique, ce couplage devient fortement non linéaire à cause des phénomènes de réorientation de la polarisation électrique. Dans ce travail de thèse, un modèle phénoménologique, qui tient compte des réorientations ferroélectrique (par un champ électrique) et ferroélastique (par une contrainte mécanique) de la polarisation électrique, est proposé. Deux variables internes sont considérées pour décrire l'histoire du chargement et deux surfaces de charges électrique et mécanique sont définies pour déterminer les débuts des écoulements ferroélectrique et ferroélastique. Une version bi-dimensionnelle de ce modèle est développée également pour faire l'étude des structures piézoélectriques minces. Les deux versions 2D et 3D du modèle phénoménologique sont intégrées implicitement en adoptant la méthode de retour radial (prédiction/correction). Deux éléments finis coque et hexaédrique de premier ordre, qui intègrent ce modèle phénoménologique non linéaire, sont ensuite développés et implémentés dans le code de calcul par éléments finis Abaqus via la routine utilisateur UEL (User ELement) / Piezoceramics like lead zirconate titanate or PZT can produce an electric potential when they are subjected to a mechanical stress and deform in the presence of an electric field. This electromechanical coupling can be described by linear constitutive equations for moderate loadings. Nevertheless, this coupling becomes highly non linear when piezoceramics are subjected to high electromechanical loadings due to the electric polarization switching. In this thesis work, a phenomenological material constitutive model that describe the electric polarization ferroelectric switching (by an electric field) and ferroelastic switching (by a mechanical stress) is proposed. To describe the loading history, two internal variables are considered and two electric and mechanical loading surfaces are defined to indicate the onset of domain switchings. A bi-dimensional version of this model is developed to study thin piezoelectric structures. The phenomenological model 2D and 3D versions are implicitly integrated by adopting the return-mapping algorithm. Two shell and hexahedral first-order finite elements are then formulated and implemented into the commercial finite element code Abaqus via the user subroutine UEL (User ELement)