Pour rendre compte physiquement de la manipulation d'un objet virtuel dans l'espace ou sur un plan, la plupart des dispositifs haptiques actuels font appel à des actionneurs à un seul degré de liberté, dont les actions sont couplées par diverses liaisons mécaniques (type pantographe). La technologie piézoélectrique est une solution avantageuse dans ce domaine d'utilisation, pour son important effort massique, le travail à faible vitesse, et surtout la capacité à motoriser plusieurs degrés de liberté à partir d'un seul actionneur. Pour cette raison, un translateur piézoélectrique plan à onde stationnaire est étudié. Un modèle simplifié est élaboré pour offrir une interprétation globale des phénomènes de contact. Il est établi selon le formalisme du graphe informationnel causal qui met en évidence deux asservissements applicables au domaine haptique : un retour d'effort actif par le contrôle en force, et une solution alternative comparable à un embrayage, qualifié de retour d'effort dissipatif.

Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz

La présente étude a été réalisée dans le cadre d'une collaboration entre le groupe de recherche GREM3 du laboratoire LAPLACE de Toulouse et la société de recherche contractuelle SINAPTEC située à Lille. SINAPTEC conçoit et développe des systèmes ultrasonores piézoélectriques résonants pour un grand nombre d'applications industrielles et a pour volonté d'améliorer sa compréhension des phénomènes mis en jeu ainsi que les performances et les fonctionnalités de sa technologie actuelle. L'objectif de cette étude est d'exploiter la sensibilité des transducteurs piézoélectriques résonants afin de leur conférer une fonction de capteur en vue de mieux contrôler leur action sur le milieu à traiter par le suivi de l'évolution de l'impédance électromécanique. Actuellement, pour le pilotage et le contrôle des transducteurs US de puissance dédiés aux applications en milieu liquide - qui font l'objet de la présente étude - plusieurs difficultés se posent. Tout d'abord la première difficulté, inhérente à la nature même des transducteurs piézoélectriques de puissance, est la dérive de leurs caractéristiques avec l'échauffement. L'échauffement dans le transducteur provoque une dérive de sa fréquence de résonance et de ses propriétés mécaniques qui est partiellement solutionnée par un asservissement en fréquence (et/ou en puissance) mais il n'en reste pas moins qu'une dégradation des performances de l'actionneur est observée. La deuxième difficulté réside dans le fait que le transducteur plongé dans une charge liquide est difficile à contrôler car l'application des ondes ultrasonores de puissance dans ce milieu provoque l'apparition de microbulles de vapeur, c'est le phénomène de cavitation qui est extrêmement complexe et fortement non linéaire. L'objectif est donc de trouver une méthode simple, peu consommatrice en ressources pour être implémentée dans la nouvelle génération de générateurs électroniques de SINAPTEC et qui permette d'extraire des informations pertinentes sur le milieu liquide - comme l'intensité de la cavitation par exemple - mais aussi sur l'état du transducteur et son évolution pendant qu'il fonctionne à forte puissance dans des conditions normales d'utilisation. Le principe de la méthode proposée repose sur le calcul de l'impédance de charge du transducteur en fonctionnement et son suivi en « temps réel »par mesure des signaux électriques et à partir de ses caractéristiques à vide. Pour montrer la faisabilité d'une telle méthode, une modélisation analytique par le modèle des matrices de transfert ainsi qu'une modélisation numérique, à l'aide du logiciel ANSYS, ont été réalisées afin de qualifier l'effet de la charge liquide en régime stable et cavitant sur l'impédance électrique du transducteur. Deux transducteurs ont été modélisés : un système ultrasonore standard de SINAPTEC, classiquement utilisé pour les applications en milieu liquide, et un transducteur spécialement conçu pour être plus sensible à la charge et plus facilement pilotable. Cette modélisation a été complétée par des expérimentations afin de confirmer la faisabilité de la méthode en milieu cavitant. La modélisation ainsi que les expérimentations ont permis de confirmer que les propriétés du milieu liquide en contact avec le transducteur sont corrélées à l'impédance électrique de ce dernier (et à sa fréquence de résonance). De ce fait, il devient alors possible, en suivant/observant l'impédance électrique du transducteur, de déterminer certaines propriétés du milieu et ainsi permettre un meilleur suivi de l'action du transducteur sur sa charge. / This study is the result of a collaboration between the research group GREM3 of the LAPLACE Laboratory in Toulouse and SINAPTEC, a research company located in Lille. SINAPTEC designs and develops resonant piezoelectric ultrasonic systems for many industrial applications and wants to improve the performance and functionality of its current technology. The objective of this study is to exploit the sensitivity of resonant piezoelectric transducers to use them as sensors in order to better control their action on the medium to be treated by monitoring the evolution of their electromechanical impedance. ABSTRACT : Currently, several difficulties arise for the control of high power ultrasonic transducers dedicated to applications in liquid media - which are the subject of this study. The first difficulty - inherent in the nature of piezoelectric transducers- is the shift of their characteristics with heating. Heating in the transducer causes a drift of the resonance frequency and its mechanical properties which is partially solved by a frequency control loop, but a performance degradation of the actuator is still observed. The second difficulty lies in the fact that the transducer immersed in a liquid load is difficult to control because the application of high power ultrasonic waves in the medium generates micro-bubbles in the liquid: it is the phenomenon of cavitation, extremely complex and highly non-linear. The objective is to find a simple method, to be implemented in the next generation of electronic generators of SINAPTEC, that allows to extract relevant information on the liquid medium (such as the intensity of cavitation for instance) but also on the state of the transducer and its evolution during operation at high power under normal conditions of use. The principle of the proposed method is based on the calculation of the transducer load impedance while functioning by measuring electrical signals and using its unloaded characteristics. To show the feasibility of such an approach, the analytical model of the transfer matrices as well as a finite element model ( using ANSYS software) were implemented to characterize the effect of stable and cavitating liquid loads on the electrical impedance of the transducer. Two transducers were modeled: a standard ultrasound system of SINAPTEC, typically used for applications in liquid media, and a transducer specifically designed to be more sensitive to the load and more easily controllable. These model were complemented by experiments to confirm the feasibility of the method in a cavitating environment. Modeling and experiments have confirmed that the properties of the liquid in contact with the transducer are correlated with the electrical impedance of the latter (and its resonance frequency). Thus, it becomes possible to determine certain properties of the medium by monitoring the electrical impedance of the transducer and it should allow a better control of the action of the transducer on the load.

Les convertisseurs de puissance sont de plus en plus utilisés, notamment avec l’explosion des objets nomades/connectés, certes de faibles puissance (<100 W), mais où les contraintes de volume, d’épaisseur ou de rendement sont forte. Dans ce contexte, l’utilisation des matériaux piézoélectriques constitue une excellente alternative aux convertisseurs à base d’inductances. Ces matériaux possèdent en effet de nombreux avantages comme des densités de puissances élevées, une géométrie fine et plane et sont notamment plus faciles à intégrer comparé aux inductances magnétiques classiquement utilisées. Un nouveau type de convertisseurs piézoélectrique, sans inductance, est présenté dans lequel le résonateur piézoélectrique assure une fonction de stockage d’énergie. À chaque période de résonance, le résonateur piézoélectrique prélève de l’énergie à la source d’entrée, la stocke provisoirement sous forme mécanique et la redistribue à la charge permettant ainsi la conversion de puissance. Des commutations à zéros de tension sont également garanties pour assurer des rendements élevées à fréquences élevées. Une première topologie (chapitre 2 et 3) intégrant ces principes est présentée. Un modèle analytique incluant les pertes mécaniques décrivant le comportement du convertisseur ainsi qu’un modèle de simulation sont élaborés. Le concept est validé expérimentalement et l’on obtient des rendements très élevés (jusqu’à 98%) sur une grande plage de puissance (de quelques mW à 1,8 W) pour plusieurs gains en tension (1,5 à 3). L’étude de cinq résonateurs de dimensions différentes renseigne sur l’influence de la géométrie sur les performances des convertisseurs et permet de concevoir une méthodologie de dimensionnement de ce résonateur. D’autres topologies plus complexes (chapitre 4) sont explorées et des perspectives d’améliorations et de mises sur le marché sont présentées. / The increasing demand for power convertors in various application fields implies specific constraints and specific technological solutions. In this context, working with piezoelectric material constitutes an excellent alternative of classical inductor-based converter. Indeed, these materials enable a high-power density, thin and planar geometry and can be integrated on silicon more easily than popular wire-wound magnetic components. A new kind of piezoelectric inductorless converter, in which the piezoelectric material acts as an energy storage element, is presented. At each resonant period, the piezoelectric resonator takes energy from the input source, stores it temporarily and releases it to the load (and therefore enabling the power conversion). Soft switching is assured to maintain very high efficiencies for high frequencies. A first topology (chapter 2 and 3) in which those principles are applied is introduced. An analytical model which integrates the mechanical losses and a simulation model are developed enabling a good understanding of the converter behavior. The concept is experimentally validated and very high efficiency conversions (up to 98 %) are achieved for a large range of output power (from mW to 1.8 W) and for different output gains. The study of five different-size piezoelectric resonators enables to understand the impact of geometric parameters of the resonator on the converter performances and therefore to propose a resonator design methodology. More complex topologies are also described (chapter 4) and a discussion on improvement possibilities and perspectives to have a complete and industrialized converter concludes the thesis.

Les capteurs magnéto-électrique (ME) sont une alternative prometteuse pour mesurer de faibles signaux magnétiques. Précédemment le choix était généralement de déposer des couches minces magnétostrictives sur un matériau piézoélectrique massif conduisant à des systèmes macroscopiques de taille milllimétrique. L’intégration de ces systèmes dans des MEMS (micro-electro-mechanical systems) requiertà la fois de résoudre les problèmes d’intégration de matériaux actif sur silicium, et de mesurer des petits signaux étant donné l’importante réduction de la réponse du système lorsqu’il est miniaturisé.Dans cette optique, le premier objectif de ce travail de thèse a été d’intégrer un matériau piézoélectrique sur un substrat de silicium tout en conservant une excellente qualité cristalline. Pb(Zr ₀ , ₅ ₂Ti ₀ ,₄₈)O₃ (PZT) a été retenu pour ces excellente propriétés piézoélectriques. L’intégration de la couche mince ce fait sur silicium qui est le substrat de prédilection pour la fabrication de microsystèmes avec les procédés microélectroniques standards. La qualité cristalline des matériaux actifs est directement corrélée aux couches d'adaptation utilisées pour obtenir une bonne qualité cristalline sur silicium. Pour cel l'intégration d'une tricouche composée de zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ), d'oxyde de cérium (CeO₂) et de SrTiO₃ permet ensuitela croissance des pérovskites d'intérêt pour le dispositif. Le choix de l’électrode conductrice inférieure (SrRuO₃ ou La ₀ ,₆₆Sr₀₃₃MnO₃ dans le cas présent) permet de contrôler l’orientation de la maille de PZT.Une première étude des propriétés piézoélectriques de la couche mince de PZT sous la forme d’une poutre libre pour son intégration dans un système magnétoélectrique a été réalisé. La mesure de la déformation de la poutre induite par l'application d'une tension électrique permet d'extraire un coefficient d₃₁ de -53pmV⁻¹, valeur inférieure au matériau massif mais à l'état de l'art dans ce type de dispositif. Dans une seconde étape, l’utilisation de la poutre comme résonateur à été étudiée. L’étude dynamique du système a permis d'obtenir la fréquence de résonance et le facteur de qualité. Le déplacement de la fréquence caractéristique du système en fonction d'une contrainte induite par une tension DC a été investigué. Enfin, l'ajout d'une couche de matériau magnétostrictif (TbFeCo) sur la poutre a finalisé la structure du capteur. Le capteur ainsi obtenu a été caractérisé et une sensibilité d’une dizaine de micro Tesla a été obtenue. / Magneto-electric (ME) sensors have been demonstrated as a promising alternative for the detection of weak magnetic signals with high sensitivity. To date, most applications focused on the use of bulk piezoelectric materials on which magnetostrictive thin films are deposited leading to millimeter-sized devices. The integration of such devices into micro-electro-mechanical systems (MEMS), bringing smaller size and lower power consumption, involves addressing several scientific issues ranging from the integration of active materials on silicon to the strong reduction in amplitude of generated signals related to the size reduction of the sensor.In this context, the first goal of this thesis work was to integrate high crystalline quality piezoelectric thin films on silicon.Pb(Zr ₓTi ₁ ₋₁)O₃ (PZT) with a morphotropic composition (x=0.52) having high electromechanical coupling factor was chosen. Silicon is a necessary template as it allows for the use of conventional clean room processes for the realization of the microsystem. The crystalline quality of the active films is directly linked to the buffer layers that promote the crystalline growth on silicon. For this purpose, Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) was used in combination with CeO₂ and SrTiO₃ to allow further growth of epitaxial perovskites. The choice of the bottom electrode material (SrRuO₃ or La ₀ ,₆₆Sr₀₃₃MnO₃ in this work) further tunes the crystalline orientation of the PZT layer.To probe the potential of such PZT thin films for ME devices, the first step was to characterize the electromechanical properties of this material in a free standing cantilever structure. Under an applied electric field, the measured displacement of the epitaxial PZT-based cantilevers is characterized by a coefficient d₃₁ =-53pmV⁻¹ , a reduced value with respect to the bulk material but that can be enhanced by further optimizing the film growth. The second step consists in ascertaining the ability of the cantilever to be used as resonator. For that purpose, first characterizations of oscillators have been performed to extract the resonant frequencies and the associated quality factors. Then, the resonant frequency shift with DC bias-induced stress was measured. Finally, a magnetostrictive layer of TbFeCo was added on the PZT cantilevers to sense magnetic field based on the ME effect. The resulting resonant frequency shift with external applied magnetic field was characterized with a typical sensitivity of 10’s of µT.

Le robot parallèle Par2, conçu pour des opérations industrielles de prise et dépôt à haute vitesse et haute précision, subit des vibrations importantes à la fin d'un déplacement. Pour minimiser ces vibrations, l'utilisation d'éléments piézo-électriques autour des bras du robot est proposée. L'identification en boucle ouverte des modes flexibles du robot, à 2,5kg de charge sur la nacelle et à la position d'arrêt, est faite en utilisant une technique basée sur les sous-espaces. Deux modèles sont identifiés, un pour la synthèse des contrôleurs et un autre pour leur validation en simulation. Des contrôleurs stabilisant la boucle fermée sont obtenus et comparés pour deux stratégies de commande: H∞ à sensibilité mixte et H∞ Loop Shaping. La robustesse des contrôleurs est ensuite testée pour différentes trajectoires et conditions de charge. Une stratégie anti-windup est mise en place pour corriger l'action d'un contrôleur lorsqu'il ne s'avère pas robuste pour certaines situations limites. Des résultats en simulations et expérimentaux permettent de comparer l'efficacité des contrôleurs / The parallel robot Par2, conceived for high-speed and high-accuracy industrial pick-and-place operations, is subject to severe vibrations at the end of a trajectory. In order to minimize these vibrations, the use of piezoelectric patches wrapped around the robot arms is proposed. The open loop identification of the flexible modes of the robot, charged with 2,5kg and at the stop position, is performed by means of a subspace-based technique. Two models are identified, one for the controller synthesis and another one for validation in simulation. Some stabilizing controllers are obtained and compared for two control strategies: mixed H∞ sensitivity and H∞ Loop Shaping. The robustness of the controllers is tested for different trajectory and charge conditions. An anti-windup strategy is employed to correct the action of a controller when it shows no robustness to some limit situations. Some simulation and experimental results allow comparing the effectiveness of the controllers

La modulation de la phase d'un signal optique à l'intérieur d'une fibre optique peut être obtenue par l'application d'un stress mécanique sur la fibre. Ce stress peut être une tension ou une compression axiale ou encore un stress latéral. Contrairement à une tension ou à une compression purement axiale, l'application d'un stress latéral introduit une biréfringence dans la fibre optique, soit un retard de phase différent pour les polarisations x et y. Une modulation rapide et précise d'un stress latéral peut être obtenue en fixant la fibre sur un actuateur fait d'un matériau piézoélectrique ou magnétostrictif. Cependant, le lien entre l'actuateur et la fibre, généralement un collage, peut mener à des problèmes de stabilité et de tenue en température. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un moyen simple, efficace et stable pour moduler directement la phase du signal se propageant dans une fibre optique. Le saut de phase induit est biréfringent et peut être modulé à des fréquences supérieures à 300 kHz. Le modulateur de phase développé est fait d'une épissure mécanique en alliage à mémoire de forme couplée à un actuateur piézoélectrique. La fibre s'insère facilement dans le modulateur de phase et aucun collage n'est nécessaire entre celui-ci et l'actuateur. Ce modulateur de phase a été utilisé pour réaliser un laser DFB (Distributed Feedback) pouvant être opéré en régime continu, en régime déclenché et en régime de modulation de puissance. De plus, la biréfringence du saut de phase induit permet de choisir une émission polarisée linéairement en x ou en y, selon la tension appliquée à l'actuateur piézoélectrique. Le laser peut également émettre en alternance des impulsions polarisées linéairement en x et en y. Le temps de vie de la cavité a pu être obtenu de la période des oscillations de relaxation. De plus, pour amener une solution à une autre problématique, des connexions haute puissance ont été mises au point entre des fibres de silice et des fibres de verre fluoré, en utilisant l'épissure en alliage à mémoire de forme développée par notre partenaire industriel Phasoptx.

Les réseaux de Bragg occupent une place importante dans le secteur des composants optiques fibrés. En effet, ils permettent de filtrer et contrôler la lumière qui voyage à travers les réseaux de télécommunication. Ils réalisent cette tâche en réfléchissant une partie du signal autour d’une longueur d’onde appelée longueur d’onde de Bragg. Traditionnellement, leur fabrication se fait par irradiation d’une fibre de silice à un faisceau laser UV. Dans ce cas, l’écriture est limitée à la silice en raison des mécanismes de photosensibilité propre à la matrice de ce verre et qui sont malheureusment nécessaires à l’inscription des réseaux. Dans certains cas, ceci peut être problématique. En effet, pour le développement de sources lasers tout-fibres, une application technologique d’importance, il est d’usage que la cavité soit basée sur une fibre à composition exotique qui ne possèdent pas nécessairement les mêmes mécanismes de photosensibilité que la silice. Le développement récent de sources lasers ultrarapides et ultraintenses présente une solution à ce problème. En effet, en utilisant des impulsions femtosecondes, il est maintenant possible de prendre avantage d’une multitude d’effets non linéaires, qui eux sont universels, afin de générer la photosensibilité souhaitée. À ce jour, la plupart des travaux se sont réalisés grâce à des impulsions de 800 nmen longueur d’onde. Or, il s’avère qu’utiliser une longueur d’onde plus courte comporte certains avantages. Premièrement, ceci permet l’accès à des longueurs d’onde Bragg plus faibles. Ceci pourrait être utile dans le développement de sources lasers émettant dans le visible. Par ailleurs, des impulsions à plus haute énergie génèrent davantage d’effets nonlinéaires ce qui, théoriquement, se traduit pas une plus grande photosensibilité du milieu. Pour ces raisons, une longueur d’onde d’inscription de 400 nm a été choisie pour la réalisation de ces travaux. Par ailleurs, la technique d’écriture par balayage d’un masque de phase a été utilisée pour fabriquer les réseaux. Cette technique, qui n’avait jamais encore été étudiée pour l’écriture femtoseconde à 400 nm, est basée sur l’interférence des deux premiers ordres de diffraction d’un masque de phase. De plus, il est possible de balayer la fibre de façon longitudinale et transversale grâce à une platine de translation et un actuateur piézoélectrique de manière à maximiser la réflectivité du réseau et contrôler ses caractéristiques spectrales. Grâce à ce montage, l’écriture à 1 [mu]m dans une fibre de silice a été optimisée. Dans les conditions de focalisation de notre expérience, il faut, pour d’obtenir un taux d’écriture maximal, que la distance fibre-masque soit entre 1,7 nm et 3 mm, que l’énergie des impulsions soit entre 250 et 400 [mu]J et que la vitesse de déplacement de la platine soit la plus faible possible (v = 1 mm/min est généralement utilisée). Par ailleurs, nous avons montré que le recuit thermique de réseaux inscrits dans de la fibre de silice non photosensibilisée, hydrogénée et deutérisée résorbent leurs pertes sans pour autant sacrifier leurs performances. Le profil des filaments a également été caractérisé grâce à des mesures de réfractométrie en champ proche. Sans balayage transversal, nous avons constaté que les filaments traversant la fibre était en régime unique. Dans le cas avec balayage à une fréquence de 20 Hz, nous avons montré que la zone de changement d’indice, bien qu’étendue, était non uniforme. Des simulations numériques et des mesures de tensions aux bornes de l’actuateur piézoélectrique, nous a montré que pour assurer l’uniformité, il fallait respecter un rapport fréquence piézoélectrique sur vitesse de déplacement de la platine ne dépassant pas 0,01 avec une fréquence piézoélectrique ne dépassant pas 1 Hz. Finalement, l’uniformité est aussi affecter par l’amplitude de balayage transversale par rapport au rayon de la fibre en raison de l’effet de la courbure de la fibre. Pour éviter une déformation trop importante, il est de mise que ce rapport soit en deçà de 0,1. Un autre aspect des travaux à porter sur l’écriture de réseaux à pas courts pour le visible. En utilisant un masque de phase uniforme de pas [lambda] = 655 nm, il a été possible d’inscrire un réseau de deuxième ordre à 480 nm. Les pertes importantes causées par la présence de nombreuses bandes d’absorption associées aux centres de couleurs ont été résorbées à un niveau de 8,8 %. Finalement, des contributions aux projets respectifs de mes collègues Vincent Fortin et Jérôme Leclerc-Perron soit le développement d’un laser Raman dans le verre fluoré et celui d’un laser pulsé tout-fibre pour l’infrarouge ont été faites en inscrivant des réseaux pour leur cavité laser.

Le développement des systèmes de récupération d'énergie est liée à l'émergence des applications de type Internet des objets (IoT) plus spécifiquement à la prolifération des réseaux de capteurs autonomes. Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des technologies de l’information et de la communication ont permis de lever certains verrous technologiques au développement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce à l’amélioration des performances intrinsèques des composants microélectroniques (vitesse, consommation), la conception de circuits plus économes en énergie, ou bien la mise en place de standards de communications radio adaptés à ces contraintes énergétiques. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs et les rendre autonomes en énergie à partir de ces sources représente une alternative viable à l’utilisation de batteries pour prolonger la durée de vie de ces capteurs communicants. Diverses technologies de générateurs ont ainsi été proposées pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique ou solaire. Le présent travail est une contribution à l'élaboration d’un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques. Ce type de générateurs, proposé et développé au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas coût à l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Des preuves de concept de tels systèmes ont déjà été développées aussi bien à macro-échelle qu’a micro-échelle. Ce travail s’inscrit dans la continuité du développement d’un récupérateur d’énergie macroscopique reposant sur ce principe-là. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’optimiser cette structure pour atteindre des niveaux de puissances plus élevés que la première preuve de concept puis dans un second temps, de réaliser son intégration afin d’effectuer des démonstrations de capteur autonome et confirmer la viabilité de la technologie développée pour de telles applications. / The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) more specifically to the proliferation of Wireless Sensor Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban environments, the home or even the human body. Recent progress in the CMOS technology have enabled to remove some of the technical obstacles to the deployment of these smart and autonomous devices, specifically thanks to the improvements of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits and even the creation of wireless communication standards well adapted to the needs of wireless sensors. Given the availability of ambient energy sources like mechanical, thermal, light etc., energy harvesters are becoming reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Consequently, various technologies of generators have been developed to harvest different kind of energies in function of their availability. The present work is a contribution to the development of a thermal energy harvester based on bimetallic strips heat engine and piezoelectric membranes. This type of technology developed by STMicroelectronics is intended to be a low cost alternative to thermoelectric generators exploiting the seebeck effect to convert heat into electricity. Based on this working principle, many harvesters both at the micro and macro scale have been fabricated. This thesis deals with the development of macroscopic energy harvesters whose first proofs of concept were established in a previous thesis. An important part of this manuscript deals with the thermal optimization of this energy harvester both in static and dynamic modes. Once the thermal properties improved, various piezoelectric materials were tested and compared to find the most adapted ones to our application and the same work is realized to choose the best device’s architecture. The integration of the energy harvester is then realized and wireless sensor node applications are demonstrated using various communication protocols and sensors. SPICE modeling of the system is also made and coupled with simulations of power management circuits developed by CEA’s design team. Finally, alternative ways to exploit wasted heat and vibrations are proposed through the development of piezoelectric bimetals and dual energy harvesters able to harvest thermal energy and mechanical energy at the same time: piezoelectric bimetals are realized either by direct deposition of piezoelectric composites or piezoelectric thin films onto bimetals. In the case of the dual energy harvester, piezoelectric cantilever beams were designed and simulated to vibrate at low frequencies (between 50Hz and 125Hz).

L’imagerie échographique en trois dimensions (3D) est une modalité d’imagerie médicale en plein développement. En plus de ses nombreux avantages (faible cout, absence de rayonnement ionisant, portabilité) elle permet de représenter les structures anatomiques dansleur forme réelle qui est toujours 3D. Les sondes à balayage mécaniques, relativement lentes, tendent à être remplacées par des sondes bidimensionnelles ou matricielles qui sont unprolongement dans les deux directions, latérale et azimutale, de la sonde classique 1D. Cetagencement 2D permet un dépointage du faisceau ultrasonore et donc un balayage 3D del’espace. Habituellement, les éléments piézoélectriques d’une sonde 2D sont alignés sur unegrille et régulièrement espacés d’une distance (en anglais le « pitch ») soumise à la loi del’échantillonnage spatial (distance inter-élément inférieure à la demi-longueur d’onde) pour limiter l’impact des lobes de réseau. Cette contrainte physique conduit à une multitude d’éléments de petite taille. L’équivalent en 2D d’une sonde 1D de 128 éléments contient128x128=16 384 éléments. La connexion d’un nombre d’éléments aussi élevé constitue unvéritable défi technique puisque le nombre de canaux dans un échographe actuel n’excède querarement les 256. Les solutions proposées pour contrôler ce type de sonde mettent en oeuvredu multiplexage ou des techniques de réduction du nombre d’éléments, généralement baséessur une sélection aléatoire de ces éléments (« sparse array »). Ces méthodes souffrent dufaible rapport signal à bruit du à la perte d’énergie qui leur est inhérente. Pour limiter cespertes de performances, l’optimisation reste la solution la plus adaptée. La première contribution de cette thèse est une extension du « sparse array » combinéeavec une méthode d’optimisation basée sur l’algorithme de recuit simulé. Cette optimisation permet de réduire le nombre nécessaire d’éléments à connecter en fonction des caractéristiques attendues du faisceau ultrasonore et de limiter la perte d’énergie comparée à la sonde complète de base. La deuxième contribution est une approche complètement nouvelle consistant à adopter un positionnement hors grille des éléments de la sonde matricielle permettant de supprimer les lobes de réseau et de s’affranchir de la condition d’échantillonnage spatial. Cette nouvelles tratégie permet d’utiliser des éléments de taille plus grande conduisant ainsi à un nombre d’éléments nécessaires beaucoup plus faible pour une même surface de sonde. La surface active de la sonde est maximisée, ce qui se traduit par une énergie plus importante et donc unemeilleure sensibilité. Elle permet également de balayer un angle de vue plus important, leslobes de réseau étant très faibles par rapport au lobe principal. Le choix aléatoire de la position des éléments et de leur apodization (ou pondération) reste optimisé par le recuit simulé.Les méthodes proposées sont systématiquement comparées avec la sonde complète dansle cadre de simulations numériques dans des conditions réalistes. Ces simulations démontrent un réel potentiel pour l’imagerie 3D des techniques développées. Une sonde 2D de 8x24=192 éléments a été construite par Vermon (Vermon SA, ToursFrance) pour tester les méthodes de sélection des éléments développées dans un cadreexpérimental. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux permettentde valider les méthodes proposées et de prouver leur faisabilité. / 3D Ultrasound imaging is a fast-growing medical imaging modality. In addition to its numerous advantages (low cost, non-ionizing beam, portability) it allows to represent the anatomical structures in their natural form that is always three-dimensional. The relativelyslow mechanical scanning probes tend to be replaced by two-dimensional matrix arrays that are an extension in both lateral and elevation directions of the conventional 1D probe. This2D positioning of the elements allows the ultrasonic beam steering in the whole space. Usually, the piezoelectric elements of a 2D array probe are aligned on a regular grid and spaced out of a distance (the pitch) subject to the space sampling law (inter-element distancemust be shorter than a mid-wavelength) to limit the impact of grating lobes. This physical constraint leads to a multitude of small elements. The equivalent in 2D of a 1D probe of 128elements contains 128x128 = 16,384 elements. Connecting such a high number of elements is a real technical challenge as the number of channels in current ultrasound scanners rarely exceeds 256. The proposed solutions to control this type of probe implement multiplexing or elements number reduction techniques, generally using random selection approaches (« spars earray »). These methods suffer from low signal to noise ratio due to the energy loss linked to the small number of active elements. In order to limit the loss of performance, optimization remains the best solution. The first contribution of this thesis is an extension of the « sparse array » technique combined with an optimization method based on the simulated annealing algorithm. The proposed optimization reduces the required active element number according to the expected characteristics of the ultrasound beam and permits limiting the energy loss compared to the initial dense array probe.The second contribution is a completely new approach adopting a non-grid positioningof the elements to remove the grating lobes and to overstep the spatial sampling constraint. This new strategy allows the use of larger elements leading to a small number of necessaryelements for the same probe surface. The active surface of the array is maximized, whichresults in a greater output energy and thus a higher sensitivity. It also allows a greater scansector as the grating lobes are very small relative to the main lobe. The random choice of the position of the elements and their apodization (or weighting coefficient) is optimized by the simulated annealing.The proposed methods are systematically compared to the dense array by performing simulations under realistic conditions. These simulations show a real potential of the developed techniques for 3D imaging.A 2D probe of 8x24 = 192 elements was manufactured by Vermon (Vermon SA, Tours,France) to test the proposed methods in an experimental setting. The comparison between simulation and experimental results validate the proposed methods and prove their feasibility. / L'ecografia 3D è una modalità di imaging medicale in rapida crescita. Oltre ai vantaggiin termini di prezzo basso, fascio non ionizzante, portabilità, essa permette di rappresentare le strutture anatomiche nella loro forma naturale, che è sempre tridimensionale. Le sonde ascansione meccanica, relativamente lente, tendono ad essere sostituite da quelle bidimensionali che sono una estensione in entrambe le direzioni laterale ed azimutale dellasonda convenzionale 1D. Questo posizionamento 2D degli elementi permette l'orientamentodel fascio ultrasonico in tutto lo spazio. Solitamente, gli elementi piezoelettrici di una sondamatriciale 2D sono allineati su una griglia regolare e separati da una distanza (detta “pitch”) sottoposta alla legge del campionamento spaziale (la distanza inter-elemento deve esseremeno della metà della lunghezza d'onda) per limitare l'impatto dei lobi di rete. Questo vincolo fisico porta ad una moltitudine di piccoli elementi. L'equivalente di una sonda 1D di128 elementi contiene 128x128 = 16.384 elementi in 2D. Il collegamento di un così grandenumero di elementi è una vera sfida tecnica, considerando che il numero di canali negliecografi attuali supera raramente 256. Le soluzioni proposte per controllare questo tipo disonda implementano le tecniche di multiplazione o la riduzione del numero di elementi, utilizzando un metodo di selezione casuale (« sparse array »). Questi metodi soffrono di unbasso rapporto segnale-rumore dovuto alla perdita di energia. Per limitare la perdita di prestazioni, l’ottimizzazione rimane la soluzione migliore. Il primo contributo di questa tesi è un’estensione del metodo dello « sparse array » combinato con un metodo di ottimizzazione basato sull'algoritmo del simulated annealing. Questa ottimizzazione riduce il numero degli elementi attivi richiesto secondo le caratteristiche attese del fascio di ultrasuoni e permette di limitare la perdita di energia.Il secondo contributo è un approccio completamente nuovo, che propone di adottare un posizionamento fuori-griglia degli elementi per rimuovere i lobi secondari e per scavalcare il vincolo del campionamento spaziale. Questa nuova strategia permette l'uso di elementi piùgrandi, riducendo così il numero di elementi necessari per la stessa superficie della sonda. La superficie attiva della sonda è massimizzata, questo si traduce in una maggiore energia equindi una maggiore sensibilità. Questo permette inoltre la scansione di un più grande settore,in quanto i lobi secondari sono molto piccoli rispetto al lobo principale. La scelta casualedella posizione degli elementi e la loro apodizzazione viene ottimizzata dal simulate dannealing. I metodi proposti sono stati sistematicamente confrontati con la sonda completaeseguendo simulazioni in condizioni realistiche. Le simulazioni mostrano un reale potenzialedelle tecniche sviluppate per l'imaging 3D.Una sonda 2D di 8x24 = 192 elementi è stata fabbricata da Vermon (Vermon SA, ToursFrance) per testare i metodi proposti in un ambiente sperimentale. Il confronto tra lesimulazioni e i risultati sperimentali ha permesso di convalidare i metodi proposti edimostrare la loro fattibilità.