Ces travaux concerne le développement de capteurs/effecteurs piézoélectrique et pyroélectrique de faible diamètre intégrable dans des structures textiles par exemple les tissus, ce qui permet soit d'avoir différentes informations sur le comportement mécanique et de température de ces structures (piézoélectricité directe) ou bien de changer les propriétés mécaniques de ces structures (piézoélectricité inverse), ce qui permettrait d'avoir des tissus à contention variable.A ce jour, sur le marché il n'existe pas de capteurs/effecteurs filamentaires piézoélectriques et/ou pyroélectriques flexibles de faibles diamètres intégrables dans les structures textiles. Les instrumentations des structures textiles qui existent se font par le biais de filaments résistifs agissant comme résistances entrecroisées qui permettent seulement d'avoir une information sur la localisation d'une pression sur ces structures textiles. Le but ces travaux est de remédier aux inconvénients des procédés connus ci-dessus. Ce but est atteint grâce à la fabrication de câbles filamentaires à l'aide d'un procédé de filage par voie fondue.Ces composites filamentaires sont caractérisé puis polariser avant de les introduire dans différents textiles par exemple les tissus, ce qui permet soit d'avoir différentes informations sur le comportement mécanique et de température de ces structures (capteurs de déformations et de température) ou bien de changer leurs propriétés mécaniques (effecteurs).Ces travaux ont été brevetés par la cellule Conectus Alsace et ils ont été sélectionnés pour le second prix International Théophile Legrand de l'innovation textile 2012.

Ce travail de thèse porte sur le contrôle de santé intégré par émission acoustique desmatériaux composites stratifiés et sandwichs. Le capteur d'EA est d'une part implanté dans lamasse du matériau et d'autre part collé à la surface de ce dernier. Une première étude estconsacrée à l'étude de l'influence de l'implant piézoélectrique dans le volume du matériau surle comportement et les caractéristiques mécaniques en statiques, en fatigue cyclique et enfluage sous sollicitations en traction et en flexion. Les signaux d'émission acoustique sontcollectés au cours des essais sur les différents matériaux. Les mécanismes d'endommagementde chaque matériau sont identifiés et caractérisés en utilisant une analyse multiparamétrique(k-moyennes) des signaux collectés. La dynamique de chaque mécanisme est suivie jusqu'à larupture permettant de discriminer les mécanismes les plus critiques conduisant à la rupture dumatériau. Une étude comparative des signaux d'EA entre matériau instrumenté en surface etcelui instrumenté en volume avec insertion d'élément piézoélectrique est également menée.Elle a montré que les matériaux avec capteurs intégrés sont plus sensibles à l'émissionacoustique, améliorant ainsi l'identification des mécanismes d'endommagement et le contrôlede santé intégré des matériaux composites étudiés. Enfin, la dernière partie du travail a étéconsacrée à l'étude de l'influence de l'intégration de plusieurs capteurs dans des structures encomposites stratifiés et sandwichs. L'analyse des résultats expérimentaux et l'observation dessignaux d'EA obtenus dans ces structures soumises à différentes sollicitations ont permis dedéfinir les principaux signatures acoustiques des différents modes d'endommagementprépondérants dans chaque type de structure. La localisation des sources d'endommagement amis en évidence que les événements acoustiques sont apparus loin des positions des capteursintégrés. De point de vue comparaison entre matériau instrumenté et matériau noninstrumenté, l'activité acoustique montre clairement l'avantage de l'intégration del'instrumentation au sein du composite. Cet avantage réside dans le fait de la détectionexpérimentale des modes d'endommagement précoces et leur chronologie d'apparition,faisant ainsi révéler les performances du composite instrumenté vis-à-vis à sa réponse enversl'initiation, la propagation et l'accumulation des défauts microscopiques.

La conception de systèmes complexes, et plus particulièrement de micro-systèmes complexes embarqués, posent des problèmes tels que l'intégration des composants, la consommation d'énergie, la fiabilité, les délais de mise sur marché, ...La conception mécatronique apparait comme étant particulièrement adaptée à ces systèmes car elle intègre intimement simulations, expérimentations, interactions entre sous-systèmes et cycles de reconception à tous les niveaux. Le produit obtenu est plus optimisé, plus performant et les délais de mise sur le marché sont réduits.Cette thèse a permis de trouver des méthodes de caractérisation, d'identification de paramètres ainsi que d'optimisation de systèmes mécatroniques actifs par la constitution de modèles numériques, de bancs d'expériences numériques, physiques et hybrides. Le cadre est bien précis : c'est celui d'un actionneur piézoélectrique amplifié, de sa commande ainsi que de la constitution générale de la boucle fermée d'un système mécatronique l'intégrant, les conclusions étant généralisables.Au cours de cette thèse, ont été introduits, avec succès, différents concepts :- Le " Signal Libre ". Un nouveau signal de commande des actionneurs piézoélectriques, basé sur les splines, maximise la vitesse de déplacement de l'actionneur et minimise sa consommation énergétique.- Deux améliorations de l'algorithme d'optimisation par essais de particules. La première introduit un arrêt de l'algorithme par la mesure du rayon de l'essaim ; le rayon limite est défini par la limite de mesurabilité des paramètres à optimiser ("Radius") ; la seconde ajoute la possibilité pour l'essaim de se transférer à une meilleure position tout en gardant sa géométrie. Ceci permet d' accélérer la convergence ("BSG-Starcraft")- L'optimisation expérimentale. Le modèle numérique étant très incertain, il est remplacé directement par le système réel dans le processus d'optimisation. Les résultats sont de qualité supérieure à ceux obtenus à partir de la simulation numérique.

Ce travail de thèse a pour objectif la caractérisation des propriétés physico-chimiques descéramiques de composition (1-x) BaTi0.8Zr0.2O3-x Ba0.7Ca0.3TiO3 préparées par frittage conventionnelet frittage flash (SPS). Les études structurales réalisées au voisinage du point triple (x≈ 0.32) à l'aidede la diffraction des RX de haute résolution (synchrotron) sur poudre ont introduit des modificationsmajeures sur le diagramme de phase température-composition déjà proposé. La réponseélectromécanique géante mesurée est alors corrélée à la dégénérescence du profil de l'énergie libreinduite par les instabilités structurales. De plus, la flexibilité de la polarisation sous contraintesthermique et électrique est couplée à un assouplissement de la maille cristalline. Ces deuxcaractéristiques contribuent ensemble à une réponse électromécanique colossale via une forteactivité des murs de domaine. La dégradation des propriétés diélectriques, ferroélectriques etpiézoélectriques pour les céramiques BCTZ (x=0.32 et 0.5) élaborées par frittage flash estessentiellement attribuée aux fluctuations importantes de composition et à la stabilisation de laconfiguration des murs de domaines avec la diminution de la taille des grains.

En 1969, il a été suggéré que des lacunes atomiques pourraient former un condensat de Bose dans l'hélium-4 solide, ce qui lui conférerait des propriétés de superfluidité. Ce scénario n'a toujours pas pu être observé, car il semblerait que l'énergie d'activation des lacunes soit trop importante. Toutefois, cette énergie diminue lorsque le volume molaire du solide augmente, mais cette diminution est limitée par la fusion du solide. Le travail présenté dans cette thèse, vise à produire un état d'hélium solide métastable par rapport à la fusion, pour prolonger la diminution de l'énergie d'activation et tendre vers la réalisation du scénario. Pour cela nous avons développé une technique permettant de focaliser une onde ultrasonore dans un monocristal d'hélium pourtant anisotrope. Les oscillations de pression provoquées par l'onde portent transitoirement l'hélium sous sa pression de fusion, qui est d'environ 25 bar. Une mesure interférométrique du champ acoustique émis, faite à travers les accès optiques du cryostat, nous permet de déterminer la pression de l'échantillon métastable produit. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible d'obtenir des états métastables décomprimés jusqu'à 21 bar, soit 4,5 bar sous la pression de fusion. Au-delà de cette limite, le cristal subit une instabilité inattendue, bien avant la limite spinodale prédite théoriquement. L'analyse de cette instabilité montre que le phénomène pourrait correspondre à la nucléation de la phase liquide, bien que sa pression d'apparition soit incompatible avec le modèle actuel.

L'objet de l'étude menée vise la récupération de micro-énergie renouvelable au moyen des matériaux piézoélectriques, pyroélectriques et thermoélectriques. Cette étude porte sur l'optimisation de trois aspects de la récupération de micro-énergie : (i) le couplage entre le générateur et l'environnement, (ii) l'efficacité de conversion d'énergie par le choix adéquat de matériaux et (iii) l'extraction de l'énergie électrique. Des études expérimentales et théoriques ont été menées en premier lieu dans des conditions de laboratoire pour une meilleure compréhension des phénomènes de récupération de micro-énergie, puis dans des conditions réelles pour vérifier les performances effectives des dispositifs réalisés. Concernant l'effet thermoélectrique, une nouvelle méthode de récupération de micro-énergie ambiante et solaire est présentée. Cette méthode utilise les générateurs thermoélectriques et les effets des chaleurs sensibles et latentes des matériaux à changement de phase pour produire des micro-énergies aussi bien de jour que de nuit. Une puissance maximale de 1Wm-2 avec un matériau thermoélectrique (Bi2Te3) a été obtenue. Concernant l'effet pyroélectrique, l'effet des variations des vitesses du vent au cours du temps est exploité. Une variation temporelle maximale de la température de 16°C/mn est disponible, ce qui a conduit à une puissance moyenne récupérée de 0.6mWm-2. Concernant l'effet piézo-électrique, une structure mécanique de type harmonica a été développée ainsi qu'une estimation des efforts d'interaction fluide-structure. Le prototype développé fonctionne à partir des vitesses du vent de 2ms-1 et génère une production d'énergie électrique de 8.9mWm-2. A titre d'illustration, une application typique a été présenté (refroidissement de panneau photovoltaïque). Elle montre une augmentation de la production d'électricité autour de 10%. L'application met en évidence l'utilisation des micro-énergies renouvelables au service de la production de macro-énergie.

Afin de réduire les vibrations d'une structure, on utilise des éléments piézoélectriques connectés à des circuits électriques passifs. L'objectif est de se rapprocher de l'efficacité du contrôle actif sans en supporter la complexité et la consommation. On considère d'abord l'association d'une résistance (qui a un effet similaire à un amortissement visqueux) et éventuellement d'une inductance (permettant de réaliser un oscillateur accordé) aux éléments piézoélectriques. Ces systèmes ont des propriétés intéressantes, mais sont peu efficaces à moins d'un accord très précis de l'inductance. Afin d'obtenir des performances élevées sans accord précis, on étudie un circuit à commutation, qui se ferme et s'ouvre à des instants bien précis. L'effet de la charge, qui freine la structure, s'apparente à un frottement sec. En synchronisant les commutations sur les vibrations, le système est auto-adaptatif et peut être auto-alimenté. Les fortes non-linéarités entraînent une excitation haute fréquence de la structure qui peut rendre la synchronisation problématique. Deux modèles électromécaniques (analytique et éléments finis) réduits sont proposés, permettant de décrire la dynamique du système complet de manière précise et de mettre en valeur le couplage entre un mode de vibration et le circuit électrique. Ce couplage est déterminant pour la réduction de vibrations. Une étude de l'influence de divers paramètres permet d'optimiser les éléments piézoélectriques, les circuits, et les instants de commutation. Ces résultats sont vérifiés expérimentalement. On constate un bon accord avec la théorie ; la difficulté de synchroniser correctement la commutation est aussi constatée.

L'autonomie énergétique des systèmes embarqués est un frein majeur au développement de l'intelligence ambiante et de l'internet des objets. Cette thèse présente un système générique de gestion de micro-puissance capable d'alimenter un nœud de réseau de capteurs autonomes et communicant sans fil (WSN). L'architecture proposée est basée sur un convertisseur DC/DC abaisseur simple inductance multi-entrées multi-sorties (SI MIMO) associé à un circuit de recherche du point de puissance maximal (MPPT) très basse consommation. Nous montrons dans ce travail que cette famille de convertisseurs permet d'hybrider efficacement plusieurs sources et plusieurs éléments de stockage pour fournir les tensions régulées nécessaires à l'alimentation électrique d'un nœud de WSN. Pour ce faire, et dans le cadre du projet PCB², nous avons réalisé un convertisseur SI MIMO à base de composants discrets ultra basse consommation sur carte PCB. Ce convertisseur interface un récupérateur piézoélectrique, une cellule photovoltaïque et une batterie fine au LIPON (Lithium Phosphorous Oxynitride) enterrée dans le circuit imprimé, pour alimenter un capteur de température enregistreur. Le développement de modèles pour chacun de ces dispositifs et leur implémentation dans un environnement de simulation système en VHDL-AMS a permis, dans un premier temps, de valider le concept présenté, puis, a guidé le travail de conception et d'optimisation du circuit du démonstrateur. Le rendement ainsi obtenu avoisine 55% dans les conditions normales d'utilisation et tend vers 70% lorsque le niveau de puissance qui transite dans le convertisseur dépasse 500 µW.

Les progrès réalisés dans les processus de fabrication ont mené vers un contrôle de plus en plus accru des dimensions et de la composition chimique des nanostructures, permettant l'émergence de nouveaux dispositifs appelés Nanosystèmes ElectroMécaniques ou NEMS. Outre leurs propriétés physiques et leurs caractéristiques fonctionnelles originales, leurs dimensions réduites leurs confèrent un fonctionnement peu coûteux en énergie. Ainsi, l'utilisation de l'environnement de tels dispositifs comme source d'énergie est clairement envisageable. Afin de préserver les avantages liés aux dimensions des NEMS, le système de récupération d'énergie doit aussi présenter un volume réduit. Dans ce contexte, nous étudions le potentiel des nanofils de ZnO comme éléments actifs de micro et nanosystèmes de récupération d'énergie mécanique à travers la mise au point de deux modèles physiques de nanofils. L'originalité de ces deux modèles vient de la prise en compte du couplage entre les propriétés piezoélectriques et les propriétés semiconductrices du ZnO et de ses effets dans la conversion électromécanique de l'énergie. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle semi-analytique d'un nanofil en flexion statique. Ce modèle permet la compréhension physique des mécanismes de la conversion de l'énergie. De plus, il met en évidence les effets du couplage piezo-semiconducteur et notamment le phénomène de masquage du potentiel. Dans un deuxième temps, nous proposons un modèle de microgénérateur basé sur un réseau de nanofils de ZnO en compression. Ce modèle utilise une approche de circuit à constantes localisées. Il permet une description dynamique du problème et l'estimation de la puissance fournie par le générateur à une charge externe sous l'effet d'une force mécanique. La formation d'un contact Schottky entre le sommet des nanofils et l'électrode supérieure et son influence sur le comportement électrique du générateur sont prises en compte. Ces deux approches sont complémentaires et sont une aide pour la compréhension physique du fonctionnement des nanofils comme transducteurs électromécaniques et pour l'optimisation des propriétés des nanofils en vue de leur utilisation comme éléments actifs de nano et microgénérateurs. Finalement, nous proposons quelques pistes de réflexions pour la synthèse de nanofils et leur intégration en microsystème ainsi que pour la réalisation et la caractérisation d'un dispositif de récupération d'énergie basé sur un réseau de nanofils.

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.