Les progrès réalisés dans les processus de fabrication ont mené vers un contrôle 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 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 possible. Afin de préserver les avantages liés aux dimensions des NEMS, le système de récupération d’énergie doit présenter un volume réduit. Dans ce contexte, nous étudions les nanoffis de ZnO comme éléments actifs de micro et nanosystèmes de récupération d’énergie à travers 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. / Recent progresses in manufacturing processes allow a better control of dimensions and chemical composition of nanostructures, This leads to the emergence of a new family of devices known as Nano ElectroMechanical Systems or NEMS. These devices show novel physical properties and functional characteristics due to their reduced size. Besides, their operating power consumption are tiny, making the use of their environment as energy source highly attractive. The design of a generator that scavenge the surrounding energy of the NEMS is quite a challenge; indeed, such a microharvester should be small enough to ensure that the dimensions of the whole autonomous device are still acceptable. in that context, we investigate ZnO nanowires as active elements of piezoelectric nano and microgenerator. We have specially developed two models of nanowire that take into account of the piezoelectric-semiconducting coupling to appreciate its effects on the electromechanical conversion of energy.

Le besoin d'analyse de gaz à l'état de traces s'est accentué ces dernières années en raison des préoccupations du public et de l'industrie sur des questions telles que le contrôle des émissions de polluants atmosphériques, la surveillance de l'environnement au sens large, la santé et la sécurité au travail. Il est donc nécessaire de posséder des instruments de détection sélectifs, sensibles et capables d'effectuer une mesure directe en temps réel. La fiabilité des systèmes de mesure est également un critère important et, selon l'application envisagée, s'ajoute aussi le besoin de miniaturisation pour aller vers des microsystèmes permettant le développement de dispositifs portables pour des opérations sur site.Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est situé dans ce contexte et porte sur l'étude et la mise au point d'un système sensible, efficace et assez simple à mettre en œuvre permettant de réaliser des mesures de traces de gaz sélectives, en temps réel et in-situ. Ce système est basé sur la spectroscopie d'absorption par quartz (QEPAS, Quartz Enhanced PhotoAcoustic Spectrocopy) qui consiste en la mesure d'une onde acoustique générée après la relaxation non-radiative des molécules excitées par l'absorption de la lumière modulée émise par des diodes lasers accordables, à l'aide d'un diapason à quartz (QTF). Le fonctionnement des sources lasers accordables et du QTF ainsi que différentes configurations du spectrophone (association du micro-résonateur et du QTF) utilisés dans cette technique QEPAS sont détaillés. Une modélisation de l'onde acoustique et de la réponse du capteur est également proposée. Deux dispositifs ont été réalisés. Le premier, nommé banc QEPAS prototype, est dédié à la mesure de l'éthylène avec une diode laser DFB émettant à 3,32 µm. Le second dispositif est une nouvelle version de capteur QEPAS, plus compacte que des dispositifs existant actuellement, dans laquelle il est possible de placer tout type de diode laser commerciale montée dans des supports de type T0xx. Ce banc compact est utilisé pour la mesure de méthane avec notamment une diode laser DFB émettant à 3,26 µm. / The need for trace gas analysis has increased in recent years due to an important concern of the public and industry on issues such as the control of emissions of air pollutants, environmental monitoring, health and security. It is therefore necessary to have the trace gas sensors able of high selectivity, sensitivity and a direct measurement in real time. The reliability of the measurement systems is also an important criterion, depending on the intended application, the need to move towards miniaturization of microsystems for the development of portable devices for on-site operations is also interesting.This thesis is in this context and focuses on the study and development of a sensitive, efficient and simple setup to make selective, in-situ and in real time measurements of trace gases. This system is based on quartz enhanced photoacoustic spectrocopy (QEPAS) which consists on the measurement of an acoustic wave generated by the non-radiative relaxation of the excited molecules after light absorption, with a quartz tuning fork (QTF). The operation of tunable laser sources, of QTF and different spectrophone configurations (combination of the micro-resonator and QTF) used in QEPAS technique are detailed. A model of the acoustic wave and the response of the sensor are also proposed. Two devices have been designed. The first one is a QEPAS prototype bench, dedicated to the measurement of ethylene with a DFB laser diode emitting at 3.32 µm. The second device is a new version of QEPAS sensor that is more compact than the currently existing devices and where it is possible to place any type of commercial laser diode. This compact bench is used for methane measurement with a DFB laser diode emitting at 3.26 µm.

Il a été montré dans différentes études que l'application de vibrations ultrasonores durant le forgeage permettaient entre autre de réduire les efforts et d'améliorer la qualité du produit. Plus récemment, des effets similaires ont été obtenu à basse fréquence, pour des formes d'ondes plus complexes, mais nécessitant moins de puissance. En raison de leur rigidité, et compte tenu des amplitudes et des fréquences mises en jeu, les actionneurs piézoélectriques sont bien adaptés à la génération des vibrations nécessaires mais leurs efforts restent limités et l'effet de vibrations est bénéficié selon une seule direction verticale. L'objectif de cette étude est de proposer un système multi-actionneurs piézoélectriques afin d'obtenir une plus grande force totale et des vibrations complexes combinant des rotations autour des axes du plan de la matrice et des translation selon son axe vertical. Un système mécanique à trois degrés de liberté est conçu à cet effet en utilisant des guidages élastiques en raison des faibles déplacements des actionneurs qui excluent la présence de jeux. Pour uniformiser les étapes de conception, modélisation et commande du système, une approche systémique énergétique est abordée en utilisant l'outil de Représentation Énergétique Macroscopique (REM). A l'aide de règles d'inversion de la REM, une structure de commande et une stratégie de gestion d'énergie dans le système sont développées et validées expérimentalement. / The superimposition of vibration during forging is known to reduce force and improve the mechanical properties of the workpiece. Until now, ultrasonic frequencies were used, but more recent results have shown that more complex vibrations at low frequencies had similar effects, with less power. Although piezoelectric actuator can generate high forces and have large rigidity, they are still limited with regards to the necessary forces during forging.Therefore, this work addresses the design of a worktool combining several actuators to generate complex vibration waveforms consisting in rotations in the plane of the die and displacement along the vertical direction. It relies on the use of flexible hinges due to the small displacement generated by the actuators. The design and control of the system is realized using a systemic approach based on the Energetic Macroscopic Representation. Thank to this tool, the control is systematically deduced by inversion. The design and its control strategy is validated experimentally on a mock-up specially realized during this work.

Ce travail porte sur l’étude d’amortissement piézoélectrique shunté pour les roues aubagées désaccordées de turbomachines. Les problèmes vibratoires sont de première importance pour les motoristes aéronautiques et, parmi ceux-ci, les vibrations causées par le désaccordage des aubes tiennent une place importante puisqu’elles sont à l’origine des phénomènes de fatigue oligocyclique et des risques de défaillance associés. L’usage de technologies d’amortissement est donc assez répandu pour réduire l’amplitude vibratoire. Ici, on s’intéresse à l’étude de l’amortissement piézoélectrique shunté appliqué aux roues aubagées désaccordées. Dans notre stratégie, des patchs piézoélectriques shuntés sont attachés sur la surface de la roue entre les aubes adjacentes afin de dissiper l’énergie mécanique de la roue. Par conséquent, l’amplitude des aubes peut être réduite du fait du couplage entre les aubes et la roue. Cette stratégie est d’intérêt pour l’ingénieur car les transducteurs piézoélectriques sont placés en dehors du flux principal des turbomachines. Un modèle numérique a été développé intégrant des circuits piézoélectriques shuntés résonnants. L’amortissement piézoélectrique shunté et un motif optimisé de désaccordage piézoélectrique sont tous les deux introduits afin de minimiser l’effet du désaccordage des aubes. En pratique, le désaccordage des aubes change au cours de la vie du moteur. Les raisons peuvent être multiples comme l’usure, des endommagements par impacts qui vont conduire inévitablement à une évolution du motif du désaccordage. En s’appuyant sur la stratégie de contrôle adaptatif, nous avons proposé un shunt piézoélectrique résonant capable de suivre l’évolution de la structure au cours du temps. Les simulations numériques montrent qu’une bonne efficacité est obtenue en termes de réduction des vibrations de roues aubagées désaccordées. Dans cette thèse, une dernière stratégie est proposée qui correspond à la mise en place d’un système de pompage énergétique nonlinéaire basé sur les éléments piézoélectriques. Une fois intégrées dans une structure mécanique, il est donc en mesure d’agir en tant qu’amortisseur de vibrations, adaptatif et large bande. Une méthode numérique, à coefficient variables de balance harmonique, a été développée afin de calculer les réponses quasi-périodiques associés à ce type de problème. Ce dispositif de pompage énergétique piézoélectrique semble particulièrement intéressant dans le cadre des roues aubagées désaccordées, car il est capable d’interagir de façon adaptative avec chaque secteur de la roue désaccordé. Des résultats prometteurs ont été obtenus et illustrent démontrent ce point de vue. / This study deals with piezoelectric shunt damping in the mistuned bladed disks. Bladed disks are rich dynamical systems that are known to suffer from severe vibration problems. Blade mistuning is an issue of major concern since it is responsible for high cycle fatigue and failure risks. In the mitigation practice, additional damping is usually introduced into the structure to reduce vibration amplitudes. Here, we are interested in piezoelectric shunt damping applied into mistuned bladed disks. In our proposed damping strategy, shunted piezoelectrics are attached onto the disk surface between adjacent blades in order to dissipate the disk mechanical energy. Consequently the blade vibration can be reduced due to the blade-disk coupling. This strategy is of engineering interest since piezoelectric transducers are placed outside other main stream in turbomachinery. This idea is developed based on a lumped-parameter bladed disk model. Resonant shunt circuits are adopted. Both piezoelectric shunt damping and optimized piezoelectric mistuning are introduced to minimize the blade mistuning effect. Piezoelectric mistuning can be seen as a kind of damping mistuning; it is modeled as a small variation of the inductance value of each shunt circuit. In reality the blade mistuning pattern is not constant in the long run. Due to various complexities, a perturbation of the blade mistuning pattern might result. In benefitting from the manageability and controllability of piezoelectric shunt circuits, an adaptive control strategy is developed to adjust the optimal piezoelectric mistuning pattern according to the perturbation. Numerical simulations reveal that a fine performance is achieved in terms of reducing the blade vibration of slowly time-variant, mistuned bladed disks. An essentially nonlinear piezoelectric shunt circuit is proposed as practical realization of nonlinear energy sink (NES). This piezoelectricbased NES is featured by nonexistence of preferential resonant frequency. It is therefore able to act in essence, as a passive, adaptive, broadband vibration absorber, when integrated into a mechanical structure. A variable-coefficient harmonic balance method for quasiperiodic responses is devised. It helps gain insights into the complex dynamics of forced response when the coupled electromechanical system is under harmonic external forcing. The appealing property of the piezoelectric-based NES enables it especially suitable for applications in mistuned bladed disks since it is capable of adaptively interacting with each sector of mistuned bladed disks in a broadband fashion. Promising results obtained in the numerical studies further demonstrate this viewpoint.

L’objectif de ce travail était de concevoir et réaliser par impression un capteur acoustique capacitif résonant bas coût. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif de recherche intitulé « Spinnaker », défini par la société Tagsys RFID qui souhaite intégrer ce capteur afin d’améliorer la géolocalisation des étiquettes RFID. Ce travail a débuté par la conception et l’optimisation du design en utilisant la simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que des plans d’expériences (DOE : Design of Experiment). Cette première étape a permis de déterminer les paramètres optimaux et démontrer que les performances obtenues étaient conformes aux spécifications. Nous avons ensuite développé les différentes briques technologiques nécessaires à la réalisation des prototypes en utilisant conjointement l’impression 2D par inkjet et l’impression 3D. Nous avons vérifié la fonctionnalité de ces capteurs à l’aide de mesures électriques capacitives et acoustiques par vibrométrie laser. Nous avons démontré la sélectivité en fréquence des capteurs réalisés et comparé les résultats expérimentaux à ceux obtenus par simulation. Enfin, nous avons enfin exploré la « voie piezoélectrique » qui nous semble être une alternative intéressante au principe capacitif. En l’absence d’encre piézoélectrique commerciale imprimable par jet de matière, nous avons formulé une encre imprimable à base du co-polymère PVDF-TrFE et démontré le caractère piézoélectrique des couches imprimées. Les résultats sont prometteurs mais des améliorations doivent encore être apportées à cette encre et au procédé d’impression avant de pouvoir fabriquer des premiers prototypes. / The objective of this work was to design and fabricate a low cost resonant capacitive acoustic sensor using printing techniques. It falls within the frame of a collaborative research project named “Spinnaker”, set up by TAGSYS RFID, a French company, which has planned to integrate this sensor to improve the geolocalization of their RFID tags. This work started with the design and optimization of the sensor using finite element modeling (COMSOL) and design of experiments (DOE). This first step has enabled the identification of the optimum set of parameters and demonstrated that the output responses were in accordance with the specifications. Then, we have developed the different technological building blocks required for the fabrication of the prototypes using jointly the 2D inkjet printing technique and 3D printing method. The functionality of the sensors has been characterized using both capacitive and acoustic measurements using laser Doppler vibrometer. Experimental results showed that sensitivity and selectivity were within the specifications and in good agreement with the modeling results. Finally, we investigated the piezoelectric approach which could be an interesting option to the capacitive one. Since no inkjet printable piezoelectric ink is commercially available, stable inkjet printable polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) ink has been developed. PVDF-TrFE layers were then successfully printed and characterized. The results were quite promising, however further improvements of the ink and printing process are required before stepping towards piezoelectric based device fabrication.

La prochaine génération de télescopes spatiaux devra repousser les limites des technologies actuelles afin d’accroitre les performances techniques et opérationnelles. Dans le cas d’observations difficiles, l'utilisation de plus grandes ouvertures des miroirs primaires est essentielle pour obtenir la résolution optique et la sensibilité requises. Toutefois, les grandes ouvertures primaires induisent un certain nombre de défis techniques tels que la masse, le volume et la raideur du miroir. La masse et le volume doivent rester acceptables par rapport au lanceur et la raideur du miroir, qui diminue avec l’augmentation du diamètre du miroir, doit être suffisante afin que les performances ne soient pas altérées par les déformations statiques et dynamiques. Pour surmonter ces limitations, des configurations de miroirs déformables comportant des éléments de contrôle actifs sont étudiées pour les futurs télescopes spatiaux. Les actionneurs piézoélectriques, qui répondent aux exigences de puissance massique et de bande passante, peuvent être utilisés comme éléments de contrôle actifs intégrés dans la structure de miroir. Toutefois, ces actionneurs montrent en fonctionnement en boucle ouverte des comportements non linéaires indésirables, comme le fluage et l'hystérésis, qui peuvent conduire à des inexactitudes indésirables et limiter les performances des systèmes. Par conséquent, pour les miroirs déformables activés par des actionneurs piézoélectriques, la compensation des non linéarités dans les actionneurs piézoélectriques est indispensable.La conception d’un miroir léger, compact et déformable à raideur adéquate est un défi très important pour les télescopes spatiaux mais n'est pas abordée dans cette thèse. Cette thèse porte sur le contrôle de surfaces de miroirs déformables actionnés par des actionneurs piézoélectriques et en particulier sur la compensation du fluage et de l'hystérésis dans les actionneurs piézoélectriques. La technologie de miroir actif étudié (avec des pieds activés, type miroir fakir) requiert un grand nombre d’actionneurs afin de tenir les exigences en termes de planéité de surface et ne permet pas un contrôle en boucle fermée de chaque actionneur (ce type de contrôle est trop exigeant en nombre de capteurs). La compensation du fluage et de l’hystérésis est donc réalisée en boucle ouverte et s’appuie sur des modèles précis des non linéarités à compenser et sur l’implémentation de modèles inverses. Un support d’étude expérimental a été élaboré au cours de la thèse afin de valider les études théoriques par des résultats expérimentaux. Il représente une partie d’un miroir de grande taille et consiste en une plaque de verre circulaire de diamètre 300mm dont la surface peut être actionnée par 7 actionneurs piézoélectriques annulaires.Les premières chapitres de la thèse concernent l’étude de la compensation en boucle ouverte du fluage et de l’hystérésis dans un seul actionneur qui est alors considéré comme un système SISO (single input – single output). Dans le dernier chapitre de la thèse, le fluage et de l’hystérésis sont compensés dans 3 actionneurs simultanément, ceux-ci formant un système MIMO (multi input – multi output). Les apports de la thèse concernent le développement de nouveaux modèles directs et inverses de fluage et d’hystérésis qui ont été validés par des expérimentations réalisées dans un contexte difficile de par la faible étendue des amplitudes de déplacement ( de l’ordre du micromètre). / The next generation of space-based observation systems will make use of larger primary mirrors to achieve higher image resolution. Large primary mirrors lead to the increase of structural flexibility and are more susceptible to distortions. Thus maintaining optical tolerances across the mirror surface becomes increasingly difficult. The techniques of active shape control may be required for spatial mirror surfaces in future space observation systems. Piezoelectric actuators are often studied as embedded elements for the active control of mirror structures due to their excellent properties. However, unwanted nonlinear effects in piezoelectric actuators, i.e., hysteresis and creep, severely limit the service performance. This thesis aims at developing openloopcontrol laws to compensate hysteresis and creep effects in piezoelectric actuators. The studies led during this thesis are applied to the shape control of spatial mirror surfaces. An experimental setup with a small-scale mirror test structure involving multiple piezoelectric actuators is first developed and is used as support for all the measurements conducted during this thesis. Then the open-loop control methodologies of creep compensation, hysteresis compensation, and simultaneous compensation of both the nonlinear effects in a single piezoelectric actuator are respectively developed. To compensate creep, a nonlinear viscoelastic model is used to portray creep, and a new inverse model of creep based on the concept of “voltage relaxation” is proposedRegarding the hysteresis compensation, the classical Preisach model is modified by adding a derivative term in parallel to describe hysteresis more accurately with relatively few measurements, and the new inverse model is constructed in the similar way. For the simultaneous compensation of the two nonlinear effects, the hysteresis is first compensated and then, the creepof the hysteresis-compensated piezoelectric actuator is attenuated by open-loop control. The methodology is first developed for a single actuator. Finally, the shape control of a mirror surface with several piezoelectric actuators is achieved by actuating the points on the mirror surface in such a way as to reach the required displacements. The mirror test structure involving multiplepiezoelectric actuators compensated in hysteresis and creep is considered as a linear system on which the superposition principle can be applied. The influence coefficients characterizing the coupling effect between the piezoelectric actuators are determined by measurements. The influence coefficient matrix is first constructed using the superposition principle, and is then inverted. By insertion of the inverse matrix in cascade with multiple piezoelectric actuators with hysteresis and creep compensation, a feed-forward control approach to actuate the multiple interesting points of the mirror surface is developed. A number of experimental results demonstrate that the developed control methodologies are effective and feasible in practice.

De nos jours, les systèmes intègrent de plus en plus de fonctionnalités dans des volumes de plus en plus petits grâce aux microcomposants intégrés. L'assemblage de ces microcomposants nécessite des systèmes de manipulation précis et reproductibles. Un nombre considérable de recherches ont été menées afin de mettre au point des actionneurs et des microrobots capables d'effectuer des tâches de positionnement ou de manipulation avec des précisions microniques voire submicroniques. Les technologies piézoélectriques jouent un rôle fondamental dans les applications de positionnement à résolution nanométrique ou même inférieure. Ces matériaux permettent la conception et le développement de systèmes de positionnement avec résolution et bande passante élevées. Cependant, des effets non linéaires tels que l'hystérésis et la dérive lente affectent la précision de la position des systèmes à base piézoélectrique s'ils ne sont pas contrôlés. Souvent, des capteurs de position sont montés sur ces systèmes pour permettre un contrôle en boucle fermée et l'élimination des effets d'hystérésis et de dérive lente. Néanmoins, l'intégration de capteurs permettant un asservissement robuste et de qualité pose des problèmes spécifiques aux microrobots. Cela est particulièrement vrai lorsque le nombre de degrés de liberté augmente. En effet, les capteurs de position qui jouissent d'une bonne résolution et précision sont généralement très volumineux et coûteux. Les solutions alternatives à l’intégration de capteurs de position externes peuvent être regroupées en deux catégories: soit par contrôle en boucle ouverte, également appelé schémas de contrôle prédictifs, soit par des techniques basées sur le contrôle par auto-détection (Self-Sensing Actuation - SSA), c’est-à-dire un contrôle en boucle fermée utilisant l'actionneur piézoélectrique comme son propre capteur.Dans cette thèse, l'objectif est de concevoir et de contrôler un système de positionnement basé sur la technologie piézoélectrique avec une méthode de mesure intégrée par SSA et ayant plusieurs degrés de liberté. À cette fin, les deux classes de SSA, à savoir le SSA basé sur l’effet direct piézoélectrique et le SSA basé sur la modification des propriétés électriques de l'actionneur piézoélectrique (PEA), sont étudiées en profondeur afin de déterminer celle qui convient le mieux au contrôle de la force et de la position dans les actionneurs piézoélectriques caractérisés par le fluage et non-linéarités d'hystérésis et consacrés à des opérations précises. De plus, cette étude présente un modèle constitutif et une technique d’identification de paramètres améliorés, qui prend en compte l’effet de couplage électromécanique et les non linéarités sur les propriétés du matériau piézoélectrique (constantes élastiques et diélectriques).Une nouvelle technique d'évaluation en temps réel des propriétés électriques du PEA est développée. Cette évaluation est basée sur la mesure de l’amplitude du courant de détection résultant de l’application d’une tension d’entrée haute fréquence de faible amplitude superposée à la tension d’entrée de commande qui actionne le PEA. Ensuite, un estimateur qui utilise le courant de détection pour estimer la position du PEA est conçu. Enfin, une plate-forme microrobotique pour le positionnement planaire à haute résolution avec la mesure intégrée par SSA développée est présentée. / Currently, systems integrate more and more functionalities into smaller volumes thanks to embedded micro-components. The assembly of those components requires precise and repeatable systems of manipulation. Substantial amounts of research have been carried out for developing actuators and microrobots to perform positioning or manipulation with micron- or even submicron accuracies. Piezoelectric technologies play a fundamental role in positioning applications with nanoscale or even lower resolution. These materials make possible the design and development of positioning systems with high resolution and bandwidth. However, nonlinear effects such as hysteresis and creep affect the position accuracy of piezoelectric-based systems if not controlled. Often, position sensors are mounted to these systems to permit a feedback control and the elimination of the hysteresis and creep effects. Nonetheless, the integration of sensors to enable quality and robust servo control poses specific problems for microrobots. This is especially true when the number of degrees of freedom (DOF) increases. Precision position sensors are usually very bulky and expensive. Alternative solutions to the integration of external position sensors can be grouped into two categories: either by open-loop control, also called feedforward control schemes or by Self-Sensing Actuation (SSA) control-based techniques, that is, a feedback control that uses the piezoelectric actuator as its own sensor.In this thesis, the objective is to design and control a piezoelectric-based positioning system with an embedded measurement by SSA method and having several degrees of freedom. To this end, the two classes of SSA, namely SSA based on the piezoelectric direct effect and the SSA based on the change of electrical properties of the piezoelectric actuator (PEAs), are studied in depth to determine the more adequate for force and position control in piezoelectric actuators typified by creep and hysteresis nonlinearities and devoted to precise operations. Additionally, from this study, an improved constitutive model and parameter identification technique are presented which includes the electromechanical coupling effect on the piezoelectric material properties (elastic and dielectric constants).A novel technique for real-time evaluation of the PEA's electrical properties is developed. This evaluation is based on the measurement of the amplitude of the detection current that results from the application of high-frequency low amplitude input voltage that is superimposed to the control input voltage which actuates the PEA. Then an estimator that uses the detection current to estimate the PEA's position is designed. Finally, a microrobotics platform for planar positioning with high resolution and the developed embedded measurement by SSA is presented.

Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous présentons la conception et la réalisation d’un banc dédié à l’étude de la fiabilité de structures piézoélectriques et plus précisément des micro-dispositifs de récupération d'énergie destinés aux implants médicaux autonomes actifs (stimulateurs cardiaques de nouvelle génération). Les structure étudiées se présentent sous la forme d’un bimorphe piézoélectrique encastré-libre comportant une masse sismique à leur extrémité. Une bonne compréhension du vieillissement des matériaux et des modes de défaillance mécanique et électrique est essentielle pour ce type de système où la vie du patient au sein duquel est implanté le dispositif est directement mise en jeu. Pour étudier la fiabilité et la durabilité de la partie active du récupérateur, nous proposons d'établir une nouvelle méthodologie de vieillissement accélérée via un banc d'essai dédié où l'environnement et les stimuli peuvent être contrôlés avec précision sur une large période de temps. Une caractérisation électromécanique des structures est périodiquement réalisée via l’extraction d’une série d’indicateurs (force de blocage, raideur, tension en régime harmonique) au sein même du banc tout au long du vieillissement. Il est donc ainsi possible d'identifier les différents modes de défaillance potentiels et d’étudier leurs impacts sur le bon fonctionnement du système. / Within the framework of this PhD we present the design and realization of a bench dedicated to the study of the reliability of piezoelectric structures and more precisely micro-devices of energy harvesting for the new generation of active and autonomous medical implants. The structures studied are in the form of a free-clamped piezoelectric bimorph having a seismic mass at their tip. A good understanding of the aging of the materials and of the mechanical and electrical failure modes is essential for this type of system where the life of the patient implanted by this device is directly involved. To study the reliability and durability of the active part of the harvester, we propose to establish a new accelerated aging methodology via a dedicated test bench where the environment and stimuli can be controlled accurately over a large period of time. An electromechanical characterization of the structures is periodically carried out by the extraction of a series of indicators (blocking force, stiffness, tension in harmonic regime) within the bench throughout the aging process. Therefore it is possible to identify the different potential failure modes and to study their impact on the proper functioning of the system.

Les filaments composites cœur/peau ont été développés dans le but de proposer des capteurs et de effecteurs textiles pour des applications « smart textiles ». Le filage des filaments a été effectué avec une technique de type extrudeuse à piston. Le travail a porté sur la modification d’une machine de filage par fusion, de la caractérisation de polymères, de la caractérisation des filaments développés et de l’optimisation des techniques d’obtention des filaments. La conception du procédé ainsi que son optimisation ont été effectués avec du PET. La modification de la machine a consisté à concevoir les filières, modifier le piston et à introduire un canal d’alimentation sous forme de tube en inox pour sécuriser le passage du filament métallique d’âme dans le four. Ainsi, 10 filières différentes et trois pistons ont été conçus en se fondant sur les règles industrielles puis leurs performances ont été optimisées. Les polymères ont été caractérisés par DSC, par rhéologie et par techniques analytiques. Ces résultats ont montré la forte influence de la température en particulier une forte réduction de la cristallinité du filament composite. L’optimisation des paramètres d’extrusion a pris en compte la vitesse du piston, la vitesse de bobinage, les modifications de la machine dont le nombre de trous des filières, la position du tube dans la filière, les dimensions internes du tube, le diamètre de sortie de la filière. Il a été montré que la conception de la filière a une influence significative sur la forme des filaments obtenus ainsi que sur la concentricité de l’âme. Les propriétés physiques, morphologiques, tribologiques et mécaniques des filaments ont été mesurés. Ainsi, les filaments ont des diamètres compris entre 350 et 500 µm et peuvent être de formes elliptique, triangulaire, rectangulaire ou circulaire et les meilleures propriétés mécaniques sont obtenues avec les filaments le plus réguliers tandis que les filaments irréguliers présentent un coefficient de frottement plus important. Les résultats concernant la rigidité en flexion se sont avérés peu fiables. A partir des paramètres optimisés, un filament composite de polymère ferroélectrique (PVDF 70%-TrFE 30%) avec une âme cuivre a été filé et a montré de parfaites caractéristiques de forme et de concentricité. Ce filament composite peut maintenant être utilisé pour développer des capteurs et des effecteurs, des transmetteurs de signaux, des boucliers électromagnétiques et de l’électronique intégrable dans les vêtements. / A coaxial composite fiber has been developed for the intended application in textile based sensors, actuators and eletric signal transmissions in wearable textile products. The work focuses on melt extrusion machine modification, characterization of polymers, characterization of developed filaments and optimization techniques for obtaining required results. Melt extrusion machine has been used having piston based mechanism. The process design and optimization was done using polyester polymer. The machine modification includes design of spinnert, piston end modification and introduction of separate feeding channel for core filament in the oven. A number of 10 spinnerets designs were developed according to industrial die design rules and optimized for their performance. The piston end designs developed were 3 in number. A stainless steel tube has been introduced into the oven for a separate secure passage of core filament. The polymer characterization was done by thermal, rheological and analytical techniques. The obtained results exhibited thermal attibutes of the polymer and showed reduction in degree of crystallanity in composite filament. The optimization of extrusion parameters including piston speed, winding speed ; and modifications in machine which includes design parameters of number of holes, tube position, tube internal diameter and spinneret exit diameter were done. It was observed that design parameters have significant effect on cross-sectional shape, eccentricity of core and morphology of filament. The characterization of composite filament has been carried out by physical, morphological, mechanical, tribology and bending techniques. The composite filaments developed were in range of 350-500 µm diameter. The filaments developed have elliptical, triangular, rectangular and circular shapes. The regular filaments showed higher tenacity and breaking strength than irregular shaped filaments. The frictional coefficient values were found higher for irregular shapes. Bending stiffness results obtained were not reliable for irregular cross-sectional shapes. The optimized parameters wers used to develop composite filament using ferroelectric polymer (PVDF-TrFE) having 70 :30 ratio copolymer. The developed filament was very regular in shape with good eccentricity of core. The developed Cu/PVDF-TrFE core/sheath filament can be used for development of sensors and actuators. The Cu/Polyester core/sheath filament can be used for electrical signal transmission lines in wearable electronic textiles and for development of electromagnetic shielding effectiveness fabrics.

Avec une limite de détection ultime pouvant atteindre le yoctogramme (1 yg = 10-24 g), les nanosystèmes électromécaniques (NEMS) employés comme capteurs gravimétriques présentent un fort potentiel pour la détection ultra-sensible et sans marquage de molécules biologiques. A l’heure actuelle, plusieurs défis restent cependant à relever avant de pouvoir envisager de manière réaliste leur utilisation comme outils de biodétection. Ces travaux de thèse adressent en particulier l’intégration du moyen de transduction et le développement de stratégies de biofonctionnalisation. En vue de répondre à la première problématique, l’intégration d’une couche piézoélectrique à base de Titano-Zirconate de Plomb (PZT) selon une approche de fabrication collective de réseaux de NEMS par voie descendante a été développée et caractérisée.Deux approches de biofonctionnalisation adaptées à une organisation de NEMS en réseaux,respectivement basées sur le dépôt localisé de matériel biologique par impression moléculaire et sur la structuration par photolithographie d’une couche bioréceptrice à base de polymères à empreintes moléculaires (MIP), ont ensuite été mises en oeuvre et ont permis de démontrer une première preuve de concept. Ces différentes contributions constituent un premier pas dans le développement des NEMS pour des applications de biodétection. / With an ultimate limit of detection down to the yoctogram regime (1 yg = 10-24 g),nanoelectromechanical systems (NEMS) resonators used as ultra-sensitive and label-free gravimetric sensors have a high potential for biodetection applications. To date, several challenges currently limit their wide spread use as viable biosensing tools. This PhD thesis addresses the issues related to the transducer integration and the biofunctionnalization. A Lead Zirconate Titatane (PZT)-based piezoelectric transducer has been implemented according to a top-down approach compatible with collective fabrication of NEMS arrays. Two biofunctionnalization strategies, suitable for a NEMS array organization and based on the localized deposition of biological material assisted by microcontact printing and the patterning of molecularly imprinted polymers (MIP) by photolithography, have also been investigated and first proof-of-concept biosensors were demonstrated. These various contributions have the potential to drive future advancements in the realm of NEMS as effective biosensing tools.