Les transformateurs piézoélectriques présentent de nombreux intérêts en électronique de puissance par rapport aux transformateurs magnétiques : gains en tension élevé, forte densité de puissance, compacité, rendements élevés, forte isolation galvanique et faibles rayonnement électromagnétiques. Toutefois, les structures classiques sont basées sur la génération d’une onde stationnaire qui limite le nombre d’électrodes et de tensions disponibles en sortie. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle topologie de transformateur piézoélectrique qui utilise une onde progressive au lieu d’une onde stationnaire. Avec cette solution, il est possible d’obtenir un système polyphasé de tensions en sortie du transformateur ce qui rend possible plusieurs types de conversion (DC-DC, DC-AC à fréquence variable).Dans un premier temps, nous avons développé un nouveau modèle analytique permettant de décrire le comportement du transformateur à partir de ses dimensions et des propriétés du matériau. Différents prototypes ont été développés pour valider le concept du transformateur et des séries de mesures ont permis de valider le modèle. Concernant les performances, un transformateur cylindrique basé sur une onde de volume a pu fournir un système quadriphasé avec une puissance maximale de 6 W et des rendements de 90%.Une autre approche visait à décrire le comportement d’un transformateur déjà réalisé par l’extraction de ses paramètres Y. A partir de cela, une représentation compatible avec les logiciels de simulation de type Spice a permis une simulation précise du transformateur et du convertisseur de puissance associé.Enfin, deux convertisseurs de puissances ont été conçus basés sur ce transformateur à onde progressive. Le premier est un convertisseur DC-DC basé sur un redresseur polyphasé pour l’alimentation de drivers isolés. Les différentes tensions disponibles à la sortie permettent l’alimentation de plusieurs drivers avec un seul transformateur. Le second convertisseur est un convertisseur DC-AC basé sur le principe d’un cycloconvertisseur. La recombinaison des phases à la sortie permet d’obtenir un signal AC. / Piezoelectric transformers propose several advantages over magnetic ones for power conversion : high voltage gain, compactness, high power density, high efficiency due to their high quality factor, strong galvanic isolation and low electro-magnetic emissions. However, in general, they are based on the generation of a standing wave that limits the number of electrodes at the surface of the transformer. In this PhD, we propose the use of a traveling wave instead of a standing wave. With this solution, it is possible to obtain a multi-phase system of voltages at the output which makes it suitable for different types of conversion (DC-DC, DC-AC with variable frequency).During this work, we developed a new analytical modelling of the transformer that describes its electrical behavior based on geometry and material properties. Different prototypes of TWPT were conceived to validate the concept and on which we perform measurements to validate the analytical modelling. Among them, cylinder-type TWTP based on longitudinal waves outputs a four-phase system with an output power of 6 W and efficiencies as high as 90%.A second approach developed consisted in the modelling of an already made transformer based on the experimental extraction of admittance parameters and its representation for simulation in Spice-type software. This approach allows for precise simulation of the transformer and the associated power converters.Finally, we designed two power converters based on this traveling wave piezoelectric transformers. The first one is a DC-DC converter that is based on a polyphase rectifier for isolated gate-drive power supply. The several phases available at the output allows for the generation of the supply for numerous drivers. The second one is a DC-AC converter similar to a matrix converter. The combination of the phases at the output of the TWPT allows for generation an AC signal at any frequency.

Les équipementiers automobiles d’organes à hautes exigences sécuritaires travaillent sans cesse sur l’amélioration de la sûreté de fonctionnement de leurs systèmes et préparent leur insertion dans l’air du véhicule autonome. Dans ce cadre, nous avons travaillé sur la conception et le développement d’un capteur de force pour la direction à assistance électrique (DAE) avec le défi de proposer une solution sans fil, facile à fabriquer et à intégrer au système. Dans cette thèse, des travaux de modélisation et d’expérimentation ont porté principalement sur deux aspects : le capteur de force et son alimentation sans fil. Pour la mesure de force, une solution basée sur l'utilisation d'un matériau piézoélectrique a été proposée. L’utilisation d’un tel matériau pour la mesure de la composante dynamique de la force est largement répandu, cependant la mesure statique reste extrêmement réduite aux applications MEMS (mesure de pression). La technique repose sur l’onde acoustique de volume (Bulk Acoustic Wave). Un échantillon piézoélectrique inséré dans une structure, soumis à une force voit sa fréquence de résonance varier. Des travaux de modélisation analytique, éléments finis et multi-échelle ainsi que de l’expérimentation ont permis de comprendre les phénomènes physiques mis en jeux dans ce type de transducteur et de proposer des orientations pour la conception du transducteur de force optimal. Un démonstrateur a été mis en place permettant la mesure d’une force statique maximale de 1500 N. L'alimentation sans fil du capteur est assurée par la technique du couplage magnétique résonant. Vu le caractère conducteur et ferromagnétique de l’environnement du système de direction, une approche de modélisation basée sur la méthode des éléments finis et la méthode des constantes localisées a été mise en place afin d’étudier le comportement d’une telle technique dans cet environnement. Par la suite, une conception a été proposée et un prototype a été réalisé. Des mesures expérimentales ont montré que la conception répond au cahier des charges imposé par l’entreprise. / Original equipment manufacturer for automotive components with high safety requirements are continually working to improve the system safety and prepare their integration to the driverless car. Within this context, we worked on the design and development of a force sensor for the electric power steering (EPS) system with the challenge of providing a wireless solution, easy to manufacture and to integrate to the system. In this thesis, modeling and experimental activities have focused mainly on two aspects: the force sensor and its wireless power supply system. For force measurement, a solution based on piezoelectric material was proposed. The use of such material to measure the dynamic component of the force is widespread; however, static force measurement remains extremely limited to MEMS applications (pressure measurement). The technic utilizes the bulk acoustic wave (BAW). The resonance frequency of a piezoelectric specimen positioned within a mechanical structure varies with an externally applied force. Analytic modeling activities, finite element method based and multi-scale approach with experimentation activities allow the understanding of the physical mechanisms behind the observed behavior of the transducer and to propose guidance for optimal design of the force transducer. A demonstrator was set up and showed a static force measurement capability up to 1500N.The wireless power supply is achieved by the resonant magnetic coupling technique. In order to analyze the effect of the environment of the electric power steering system characterized by conductive and ferromagnetic parts, a modeling approach based on the finite element method and the lumped-element method was adopted. Afterwards, a design was proposed and a prototype was carried out. The experimental measurement shows that the design meets the company requirements.

Les systèmes de récupération d’énergies basées sur les vibrations mécaniques environnantes suscitent l’intérêt depuis de nombreuses années. Augmenter l’efficacité de la conversion d'énergie est primordial, mais celle-ci pour être bien maitrisée, passe par la mise au point de modèles précis et notamment par la prise en compte des lois régissant les matériaux piézoélectriques. En effet, ces matériaux sont à la base des couplages mécano/électriques et il est capital de comprendre comment ils fonctionnent quelque soit l'excitation externe. Un modèle précis du matériau ferroélectrique est indispensable pour établir des critères de conception des prototypes et leur optimisation. Dans cette thèse, un modèle précis, temporel, large bande tenant compte de l’ensemble des non-linéarités d’une céramique piézoélectrique a été développé. L’utilisation d’opérateurs fractionnaires a permis d’augmenter fortement la bande de fréquence de validité du modèle. Le modèle permet notamment de prévoir l’évolution de la polarisation diélectrique ainsi que le déplacement mécanique de l’échantillon testé et ceci quelque soit le type de stimulation (contrainte mécanique pure, champ électrique et même excitation hybride électriques/mécaniques). La dérivé fractionnaire a dans un premier temps été utilisée pour l’hystérésis sous excitation électrique pour décrire le comportement dynamique de la polarisation diélectrique. En effet, au delà d’un seuil de fréquence, lorsque l’état du matériau n’est plus quasi-statique, une contribution dynamique apparaît. Cette contribution joue un rôle primordial lorsque les niveaux de fréquence et d’amplitude sont élevés. La même étude a ensuite été menée sous contrainte mécanique, et le même opérateur fractionnaire a été utilisé avec succès. Nous avons entre autre constaté que sur un même échantillon les paramètres de simulation établis sous champ électrique étaient conservés sous contrainte mécanique. Ensuite, un modèle inverse permettant d’imposer la forme d’onde de la polarisation ou du déplacement a été proposé. Pour une polarisation ou un déplacement donné, le modèle inverse permet de déterminer avec précision l’effort mécanique à appliquer sur la céramique piézo-électrique. Ces modèles sont nécessaires pour optimiser une forme d’onde de contrainte mécanique ou électrique et obtenir un rendement supérieur des systèmes récupérateurs d’énergie. En effet, une nouvelle technique couplée champ électrique/contrainte mécanique de récupération d’énergie est présentée à la fin de la thèse, technique qui nous a permis de valider l’utilisation du modèle. L’utilisation du modèle permet d’optimiser la mise au point d’un prototype mais également d’obtenir la valeur exacte du rendement de la méthode en rendant compte notamment des pertes diélectriques. Dans la thèse, le modèle sous ses différentes variantes est décrit de manière exhaustive. / Energy harvesting based on mechanical vibration has been a long time research topic for the last few decades. In addition to enhancing the energy conversion amount, another objective is to master and give a precise model with consideration of the disciplines of piezoelectric material behavior. A precise model for the ferroelectric material is mighty needed in the energy harvesting process, so as to give an instruction to the prototype designing and modelling optimizing. In this thesis, a model working on wide bandwidth considering the nonlinearity of the piezoceramic has been developed. The employment of the fractional derivative has broadened the usage of this model on expanded bandwidth. The model permit to predict the evolution of the dielectric polarization as well as the mechanical displacement, which has been tested on different samples under different kinds of stimulation (pure mechanical, pure electrical and hybrid of electrical and mechanical excitations). This fractional derivative factor has been first developed under electrical excitations to describe the dynamic behavior. In the development of this model to mechanical field, the fractional derivative factor was found available as well under the mechanical excitation in the same value. In the following study, an inverse of mechanical model has been developed as well. In the end, we stimulate the piezoceramic using both electrical and mechanical excitation to augment the energy harvesting amount which could become a promising method in energy harvesting field. Every model has been exhaustively demonstrated and specific measuring benches have been established to validate these models. Experiments results and simulations in different kinds of excitations (amplitudes, frequencies) for every kind of the above models have been compared. Good approximation has been acquired indicating the model has a good accuracy in describing the material property and dynamic behavior.

Les recherches effectuées sont centrées sur l'intégration de composants piézoélectriques dans des matrices thermodurcissables. Cependant, le problème de recyclage constitue un grand axe nécessitant le remplacement des matériaux thermodurcissables par des matériaux thermoplastiques. Toutefois, les procédés actuels de fabrication des pièces en composite actif à matière thermoplastique ne sont pas directement exploitables pour l'intégration de composants fragiles tels que les composants piézoélectriques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse est dédié à une contribution à la fabrication des structures thermoplastiques intelligentes. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de déterminer le rapport entre le procédé de fabrication et les modèles de comportement à développer pour l'utilisation des composants piézoélectriques intégrés. Deux études sont réalisées séparément : Une première étude traite les conditions thermiques et mécaniques qui accompagnent la fabrication des structures thermoplastiques. L'influence de ces conditions sur le matériau piézocéramique intégré est analysée dans une deuxième étude. Les résultats des deux études permettent de choisir le matériau approprié pour chaque procédé et condition de mise en œuvre, de manière à minimiser l'endommagement du matériau intelligent. Cet apport permet de surmonter les obstacles relatifs à l'utilisation du thermoplastique dans les structures intelligentes.

Les récentes découvertes et avancées technologiques dans la compréhension des matériaux ainsi que l'essor des outils informatiques d'aide au calcul ont contribué à la prolifération de matériaux intelligents avec un champ d'applications très large. Cette thèse s'inscrit dans le contexte d'utilisation des actionneurs piézoélectriques plutôt qu'une vision purement matériau. Le but est d'enrichir les bibliothèques de modèles de ces types d'actionneurs afin de faciliter leur prise en compte dans les phases de conception des systèmes complexes les intégrant. Le cahier des charges est que ces modèles incluent le plus possible les non-linéarités tout en restant aisés d'utilisation. Pour atteindre ces objectifs, nous proposons de faire un pont entre le domaine des experts des matériaux et celui de l'ingénieur en suivant une méthodologie claire. Dans un premier temps nous passons en revue les approches existantes dans la littérature ainsi que les solutions offertes par certains logiciels commerciaux. Une analyse des équations constitutives de la piézoélectricité associées aux conditions de fonctionnement de l'actionneur nous permet d'en déduire un premier modèle analogique. Ce dernier est ensuite traduit en bond graph pour en déduire des modèles blocs-diagramme. En plus de cet effort de formalisation, ces premiers modèles se distinguent de ceux proposés par les logiciels commerciaux en prenant mieux en compte la dynamique propre à l'actionneur. Nous proposons deux types de modèles. L'un rend uniquement compte du premier mode de résonance alors que le second rend compte de deux modes de résonance. Ensuite nous proposons des modèles prenant en compte les non-linéarités : l'approche de Preisach pour la modélisation de l'hystérésis statique et l'approche de Voigt dans le cas dynamique. Ces deux approches sont ensuite fusionnées dans le but d'avoir un model plus complet.

Par la qualité et la variété de leurs propriétés mécaniques, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés notamment dans le domaine naval militaire. En outre, la possibilité d'intégrer des fonctions intelligentes au sein même des matériaux représente à elle seule une avancée importante pour l'utilisation de ces composites. Afin de diminuer les coûts des inspections requises pour déceler l'apparition de défauts internes, il est préférable d'utiliser des matériaux intégrant directement un contrôle de santé. Ainsi, nous avons cherché à définir une méthode d'évaluation non destructive in situ, afin d'offrir une meilleure sécurité opérationnelle des structures à moindre coût. Dans ce travail l'utilisation des ondes de Lamb a été étendue au cas des matériaux anisotrope stratifiés. La propagation et les caractéristiques des modes dispersifs des ondes de Lamb ont été étudiées en relation avec les propriétés mécaniques des structures. La réalisation de plaques instrumentées a permis la détection expérimentale de défauts réalistes grâce à la définition de paramètres d'endommagement. L'emplacement des défauts a été estimé par un traitement de signal basé sur la transformée en ondelette discrète et continue. Enfin, les modes de Lamb fondamentaux ont été modélisés par la méthode des éléments finis à deux dimensions. Concomitamment, un blindage électromagnétique basé sur la conductivité électrique des fibres de carbone a permis d'obtenir une efficacité de blindage performant, adapté au domaine naval militaire. En particulier l'importance qualitative de la continuité électrique entre les différentes plaques composites sur la performance mesurée a été soulignée. Une modélisation générique basée sur la méthode des sources ponctuelles réparties a permis de modéliser la propagation des ondes électromagnétiques dans un matériau composite. L'originalité de cette étude réside dans la démonstration de la faisabilité d'intégrer dans des matériaux composites des deux fonctionnalités indépendantes que sont la protection électromagnétique et un contrôle de santé actif.

Les monocristaux Pb(Zn1/3Nb2/3)1-xTixO3 (PZN-xPT) présentent autour de x = 9% les meilleures propriétés piézoélectriques connues à ce jour. Ce travail est consacré à l'étude de ces propriétés, en relation avec la structure cristallographique et les différents états en domaines ferroélectriques de cristaux de composition x = 7, 9 et 12%.<br /><br />On décrit tout d'abord par des mesures de permittivité en température les états en domaines accessibles en fonction du champ électrique appliqué. Notamment, l'instabilité de l'état monodomaine quadratique 1T de PZN-12%PT dans les plaquettes d'épaisseur inférieure à 300 µm est mise en évidence et confirmée par diffraction des rayons X.<br /><br />La deuxième partie traite de l'ingénierie des domaines dans PZN-12%PT polarisé suivant [101]. En s'appuyant en particulier sur une détermination complète des propriétés électromécaniques intrinsèques du cristal ainsi que sur des observations optiques du polydomaine, on présente un modèle analytique de calcul de ses propriétés effectives. Ce modèle explique convenablement les baisses extrinsèques importantes des constantes diélectriques transverses observées par un effet d'encastrement.<br /><br />Dans une troisième partie, il est montré que les effets du dopage au manganèse sur les propriétés des cristaux sont qualitativement les mêmes que dans les piézoélectriques classiques (durcissement, hausse du facteur de qualité mécanique, baisses de la constante diélectrique et du coefficient piézoélectrique) et correspondent à une modification de leurs propriétés intrinsèques. De plus, on montre que l'ajout de manganèse déstabilise l'état monodomaine 1O dans PZN-7%PT et stabilise à l'inverse l'état 1R dans PZN-9%PT.

Ce document est rédigé en vue de l'obtention d'un diplôme d'habilitation à diriger des recherches de l'Université Joseph Fourier de Grenoble. Il présente une synthèse de travaux de recherche concernant les transducteurs électroacoustiques et ultrasonores, le Curriculum vitae et la production scientifique du candidat. Les travaux de recherche ont été conduits successivement à l'Université Technique Tchèque à Prague jusqu'en 1993, à l'Ecole Centrale de Lyon entre 1993 et 1994 et à l'Université Joseph Fourier de Grenoble depuis 1994. Les résultats les plus récents ont été obtenus au Laboratoire TIMA au sein de l'équipe RMS. Dans ce document, nous définissons la problématique des transducteurs éléctroacoustiques et ultrasonores et nous traçons les faits les plus marquants du progrès dans ce domaine. Nous présentons brièvement l'état de l'art des transducteurs piézoélectriques, capacitifs, piézorésistifs et électrothermiques en soulignant les réalisations dans le domaine de l'acoustique et des ultrasons. Nous présentons les progrès dans ce domaine apportés par les nouvelles technologies, ainsi que nos travaux sur ces types de transducteurs. Nous aborderons quelques méthodes de test développées pour des applications acoustiques et démontrerons leur applicabilité dans le domaine du test des systèmes analogiques et mixtes. La problématique des transducteurs acoustiques dans diverses applications et l'apport de nouvelles technologies pour leur évolution constituent le fil directeur de ce travail.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un système de Contrôle Santé Intégré des structures aéronautiques (CSI ou SHM) autonome et à double-fonctionnalité. Ce système doit être en mesure d'assurer son autonomie énergétique tout en réalisant les tâches de détection et de localisation des endommagements. Latechnique retenue pour alimenter ce système est basée sur la récupération d'énergie vibratoire par transducteurs piézoélectriques SHM collés. Durant ces travaux, un modèle analytique complet de la chaîne de récupération d'énergie vibratoire a d'abord été créé. Ce modèle, validé par la Méthode des ÉlémentsFinis (MEF), permet d'améliorer le rendement du système en déterminant les dimensions, les locali-sations et le type de matériau piézoélectrique idéals des transducteurs. Ce modèle a ensuite été étendu à une configuration plus représentative des conditions de vibrations d'une structure en vol. Une bonne corrélation entre les résultats provenant du modèle prédictif et les essais sur un banc de mesures a étémise en évidence. Une puissance de 1.67mW a été récupérée et la capacité large bande des transducteurs a été vérifiée. L'application de la récupération d'énergie au contrôle de structures composites en cours d'assemblage sur les lignes de production a également été étudiée. Dans ce cas, un transducteur stratégiquement localisé et alimenté par une source de tension disponible génère des ondes de Lambdans la structure afin de pallier l'absence de vibrations naturelles. Un réseau de transducteurs secondaires disséminés sur cette structure récupère et convertit cette énergie vibratoire en énergie électrique. Une puissance de 7.36 mW a été récoltée et ce système a été en mesure de détecter une chute d'outil sur le composite et d'éclairer de façon autonome une diode électroluminescente (DEL) simulant ici la consommation de la transmission sans fil de l'information.

Le Titano-Zirconate de Plomb, ou PZT est un matériau piézoélectrique présentant de très bonnes performances pour l'actionnement des microsystèmes. Dans ce travail de thèse, nous nous proposons de répondre à la problématique de l'intégration du PZT par dépôt sol-gel. Dans une première partie, nous présenterons l'état de l'art des MEMS piézoélectriques et du PZT. Dans une seconde partie, nous montrerons comment obtenir des couches minces de PZT orientées (100) et (1111) de façon homogène, pour une des épaisseurs de 100 nm à 2µm. Dans une troisième partie, nous comparerons les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques des films, en fonction de l'orientation. Pour l'orientation (100), nous avons pu mesurer un coefficient d31 supérieur à -150 pm/V et un coefficient e31,f de -16 C/m2. Pour l'orientation (111), nous avons mesuré un d31 de -100 pm/V et un e31,f de -14 C/m2. Pour expliquer les différences observées, nous avons également abordé le problème du blocage des parois de domaines. Dans une quatrième partie, nous présentons la fabrication et la caractérisation d'un interrupteur MEMS radiofréquences packagé et stabilisé en température fonctionnant à basse tension. A l'état bloqué, il présente une isolation de -44 dB à 2 GHz. A l'état passant, il présente des pertes d'insertion de -0.74 dB à 2 GHz. Dans cette partie, nous présentons également l'intégration d'une jauge de contraintes dans un actionneur piézoélectrique. Dans la dernière partie, nous présentons l'intégration de nos procédés dans des membranes sans dégradation des performances. Une étude préliminaire de fiabilité est également menée. Le mécanisme conduisant à la dégradation de nos composants est lié au vieillissement du matériau, ce qui montre que notre procédé de dépôt est maitrisé de façon homogène sur des substrats 200 mm.