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

Au cours des dernières années, la communauté scientifique s'est intéressée de plus en plus à l'acquisition de sources d'énergie renouvelables vertes et propres par rapport aux combustibles fossiles traditionnels. Le rayonnement solaire est une source particulièrement abondante d'énergie renouvelable qui a été largement utilisée dans les véhicules, les machines et les bâtiments, entre autres. Il y a généralement deux manières différentes d'utiliser l'énergie solaire: la chaleur et l'électricité. La principale motivation de ce travail de thèse est d'utiliser cette abondante source d'énergie pour produire une petite fraction de la tension et du courant continu de sortie. Puisque le spectre solaire se situe dans les longueurs d'onde à l'échelle nanométrique ou dans la bande térahertz, les antennes optiques seront utilisées comme une nouvelle technologie de nanotechnologie pour capter et récolter l'énergie solaire. Les antennes optiques ont des propriétés similaires à celles de leurs homologues micro-ondes, mais leur avantage réside dans des moyens sans précédent pour adapter les champs électromagnétiques dans tous leurs aspects et applications. Par conséquent, avec les détails mentionnés ci-dessus, l'idée principale de cette thèse est de capturer le rayonnement infrarouge solaire et l'utiliser pour produire une tension continue de sortie. La première partie de cette thèse est consacrée à la compréhension du fonctionnement de la collecte d'énergie par radiofréquence (RF) et à la présentation d'un concept de rectenna. La deuxième partie traite de l'introduction et de la simulation d'antennes optiques à base de résonateurs diélectriques (DR) car elles offrent moins de pertes à la bande THz. Deux conceptions de DR différentes sont proposées fonctionnant à la fréquence centrale de 193,5 THz (longueur d'onde 1550 nm). La troisième partie traite de la contribution principale à ce travail en termes de conception, simulation et fabrication d'une antenne optique Yagi-uda à haut gain et large bande. La technique de lithographie par faisceau d'électrons est utilisée pour réaliser la structure proposée. En dehors de la conception de l'élément unique Yagi-uda, diverses configurations de réseau ont été simulées avec la réalisation d'un réseau d'éléments 100 x 100 fabriqué sur un substrat de silicium. Pour produire une certaine quantité de tension de sortie, deux techniques ont été utilisées pour tester le réseau d'antennes optiques Yagi-uda. La première technique impliquait l'intégration du réseau Yagi-uda avec une diode fermionique du commerce qui produisait une tension de sortie de 0,15 V par excitation à partir d'une lumière visible et de 0,52 V par excitation directe à partir d'un laser à 1550 nm. La deuxième technique est basée sur la dissipation thermique entre des métaux dissemblables produisant une tension de sortie. Quatre lasers à longueurs d'onde différents (532 nm, 650 nm, 940 nm et 1550 nm) ont excité trois conceptions de nantenna réalisées. Parmi ces conceptions, la tension de sortie maximale de 0,82 V a été produite par le réseau Yagi-uda lorsqu'il est excité via un laser de 1550 nm. / Recent years have witnessed an increased interest by the scientific community to acquire green and clean renewable sources of energy compared to traditional fossil fuels. Solar radiation is one particular abundant source of renewable energy that has been widely applied in vehicles, machines, and buildings, among others. There are generally two different ways in which solar energy is used – heat and electricity. The main motivation of this thesis work is to utilize that abundant source of energy in producing a small fraction of output DC voltage and current. Since the solar spectrum lies in the nano scale wavelengths or terahertz band, optical antennas as a novel nano fabrication technology will be used to capture and harvest the solar energy. Optical antennas have properties similar to their microwave counterparts, but the advantage they have is in terms of unprecedented means to tailor electromagnetic fields in all its aspects and applications. Therefore, with the aforementioned details, the main idea of this thesis is to capture the solar infrared radiation and utilize it for producing output DC voltage. The first part of this thesis is dedicated to understanding the working of radio frequency (RF) energy harvesting and presenting a rectenna design. The second part deals with the introduction and simulation of optical antennas based of dielectric resonators (DR) as they offer fewer losses at the THz band. Two different DR designs are proposed working at the center frequency of 193.5 THz (1550 nm wavelength). The third part discusses the main contribution to this work in terms of design, simulation and fabrication of a high gain and wideband Yagi-uda optical antenna. E-beam lithography technique is used to realize the proposed structure. Apart for the single element Yagi-uda design, various array configurations have been simulated with realization of a 100 x 100 elements array fabricated on a silicon substrate. To produce a certain amount of output voltage, two techniques were deployed in testing the realized Yagi-uda optical antenna array. The first technique involved integration of the Yagi-uda array with a commercial fermionic diode that produced output voltage of 0.15 V via excitation from a visible light and 0.52 V with direct excitation from a 1550 nm laser. The second technique is based on thermal dissipation among dissimilar metals producing an output voltage. Four different wavelength (532 nm, 650 nm, 940 nm and 1550 nm) lasers excited three realized nantenna designs. Among these designs, the maximum output voltage of 0.82 V was produced by the Yagi-uda array when excited via 1550 nm laser.

L'avènement de l'Internet des Objets a permis de déployer de nombreux réseaux de capteurs sans-fil. Ces réseaux sont utilisés dans des domaines aussi variés que l'agriculture, l'industrie ou la ville intelligente, où ils permettent d'optimiser finement les processus. Ces appareils sont le plus souvent alimentés par des piles ou batteries, ce qui limite leur autonomie. De plus, il n'est pas toujours possible ou financièrement viable de changer ou recharger les batteries. Une solution possible est d'alimenter ces capteurs en récupérant l'énergie présente dans l'environnement alentour. Ces sources d'énergie sont cependant peu fiables, et le capteur doit être capable d'éviter de vider complètement sa réserve d'énergie. Afin de moduler sa consommation d'énergie, le capteur peut adapter sa qualité de service à ses capacités énergétiques. L'appareil peut ainsi fonctionner en continu sans interruption de service. Cette thèse présente les méthodes utilisées pour la conception d'un capteur entièrement autonome alimenté par récupération d'énergie ambiante, communiquant sur un réseau longue portée LoRa. Afin d'assurer l'alimentation électrique, une carte permettant de récupérer de l'énergie depuis plusieurs sources d'énergie simultanément a été conçue. Un module logiciel de gestion d'énergie a ensuite été développé afin de calculer un budget énergétique que le capteur peut dépenser, et choisir la meilleure manière de dépenser ce budget pour exécuter une ou plusieurs tâches. Ce travail a ainsi permis le développement d'un prototype de produit industriel entièrement autonome en énergie. / The advent of the Internet of Things has enabled the roll-out of a multitude of Wireless Sensor Networks. These networks can be used in various fields, such as agriculture, industry or the smart city, where they facilitate fine optimization of processes. These devices are often powered by primary or rechargeable batteries, which limits their battery life. Moreover, it is sometimes not possible or financially viable to change and/or recharge these batteries. A possible solution is to harvest energy from the environment to power these sensors. But these energy sources are unreliable, and the sensor must be able to prevent the complete depletion of its energy storage. In order to adapt its energy consumption, the node can match its quality of service to its energetical capabilities. Thus, the device can continuously operate without any service interruption. This thesis presents the methods used for the conception of a completely autonomous sensor, powered by energy harvesting and communicating through a long range LoRa network. In order to ensure its power supply, a board has been designed to harvest energy from multiple energy sources simultaneously. A power management software module has then been developed to calculate an energy budget the sensor can use, and to choose the best way to spend this budget over one or multiple tasks. This work has enabled the development of an energy autonomous industrial sensor prototype.

Aujourd'hui, avec l'envolée mondiale du prix du pétrole, la question énergétique est devenue un sujet d'importance et la possibilité d'exploiter l'énergie ambiante connait un regain d'attention. Ainsi dans cette thèse, nous nous intéressons aux dispositifs de récupération d'énergie piézoélectrique de vibration dont l'objectif final est de réaliser un réseau de capteurs sans fil (WSN) autonome de faible consommation d'énergie. L'idée est dans un premier temps de prolonger la durée de vie de la batterie, puis dans un second temps de rendre le capteur totalement autonome d'un point de vu énergétique. Les dispositifs actuels étant basés sur la vibration d'une poutre (résonateur mécanique), ils ne sont efficaces qu'à la résonance, avec une faible bande-passante. Ainsi dans ce travail, nous avons tout d'abord proposé une technique de décalage de la fréquence de résonance à l'aide de capacités commutées, cette technique réalise un ajustement de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de la source d'excitation et ainsi permet une augmentation de la puissance de sortie. Cette technique a été implémentée avec succès sur un module de capteur WSN avec transmission d'un signal RF. Toujours dans l'objectif d'agrandir la bande-passante, un résonateur hybride (piézoélectrique/magnétique) bistable associé à une interface électrique (SSHI) a été proposé. Ce nouveau et intéressant concept de combiner le résonateur hybride avec une interface à commutation de la tension piézoélectrique a montré, à l'aide de résultats expérimentaux et de simulation, que la puissance est augmentée sur une large bande passante. De plus, afin de rendre le système totalement autonome et de commander les interrupteurs de l'interface électrique aux instants optimaux, une technique de détection du passage par zéro de la vitesse de vibration a été proposée. Les résultats montrent de bonnes performances de cette méthode sur toutes les interfaces et résonateurs. Contrairement à la méthode classique de détection de la tension crête, la détection du passage par zéro de la vitesse est plus précise. La récupération d'énergie piézoélectrique engendrant un amortissement de la source vibrante, il est possible d'utiliser les mêmes interfaces électriques pour réaliser l'amortissement semi-passif de vibrations de structures mécaniques. Il s'agit d'extraire le maximum d'énergie de la structure en vibration à l'aide de l'élément piézoélectrique. Ainsi, afin de rendre les interfaces électriques pour l'amortissement (SSHD) totalement autonomes, nous avons proposé d'associer la récupération d'énergie piézoélectrique à l'amortissement de structure. L'avantage majeur est qu'il est seulement nécessaire de sacrifier légèrement les performances de l'amortissement pour rendre le système totalement autonome. Les performances ainsi que les limites de cette technique ont été analysées.

Les travaux présentés dans cette thèse sont divisés en deux parties. La première partie est consacrée au développement d'un code de calcul électromagnétique basé sur la méthode TLM (Transmission Line Matrix) pour la modélisation des géométries très hétérogènes, nécessitant la prise en compte de maillages non-conformes localement raffinés. Cet aspect multi-échelle consiste à résoudre un problème de couplage spatio-temporel. Le couplage spatial est mis en œuvre en utilisant la technique des transformateurs introduite par Wlodarczyk. Notre effort s'est porté plus particulièrement sur le couplage temporel afin de pouvoir utiliser le pas temporel maximum dans chaque sous-maillage. Des techniques d'interpolation temporelle de type Taylor de second ordre et cubique Spline ainsi qu'une méthode de prédiction temporelle inspirée de la méthode de Prony-Pisarenko pour l'analyse spectrale ont été mises en œuvre et évaluées. La deuxième partie est consacrée à la conception de rectennas. Ces structures non linéaires, à la géométrie complexe et hétérogène, intégrant des diodes Schottky, sont les éléments clés des systèmes de transmission ou de récupération d'énergie sans fil. Leur simulation globale (circuit-électromagnétique) dans le domaine temporel par la TLM constitue un avantage par rapport aux logiciels commerciaux qui nécessitent des ajustements de certains paramètres SPICE par des réalisations et caractérisations expérimentales à priori, compliquant ainsi le processus de conception. Cela a permis de prédire avec précision le rendement de conversion d'une rectenna globale et de développer puis caractériser expérimentalement deux rectennas compactes fonctionnant à 2.45GHz.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et la simulation d'un microsystème multidisciplinaire composé de dispositifs qui sont conçus dans des domaines différents: électromécanique, électronique analogique et numérique, et électrochimique. <br />L'objectif est de proposer des prototypes virtuels d'un microsystème dit autonome. Ce microsystème permet de générer à partir de vibrations mécaniques, une énergie électrique qui sert à alimenter tout le dispositif, et le rendre électriquement indépendant.<br />Une méthode de modélisation collaborative sous l'environnement MATLAB/Simulink est proposée afin d'étudier le comportement du microsystème. Ceci est réalisé à différents niveaux de détails en se basant sur deux approches de simulations. La première permet de vérifier le comportement du prototype virtuel dans un même environnement et de le valider par simulation globale. La deuxième approche consiste à simuler le système complet en faisant appel à l'interface de cosimulation avec le langage VHDL sous ModelSim. <br />Les résultats de simulation confrontés aux mesures effectuées sur le prototype physique ont montré la fiabilité de la méthode proposée.

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

Le développement des réseaux de capteurs sans fil (WSN) profite des progrès récents en consommation énergétique dans les systèmes électroniques et des progrès en technologies de récupération d'énergie pour construire des entités de contrôle intelligentes utilisées dans des domaines variés comme la santé ou l'agriculture. Grâce aux consommations toujours plus faibles des circuits de communication radiofréquence, il est possible de créer des réseaux de systèmes de capteurs capables d'extraire des données de l'environnement et de les transmettre à une entité maîtresse. Les durées de vie limitées des batteries sont un frein au développement de tels réseaux pour des raisons de coût et de difficulté de maintenance. Grâce à la récupération d'énergie dans l'environnement, qu'elle soit solaire, thermique ou mécanique, il est alors envisageable d'alimenter un système de capteurs et sa communication sans fil afin d'accroitre l'autonomie globale du réseau. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à étudier la gestion d'énergie au sein d'un nœud de capteurs communicant sans fil. Grâce à l'utilisation d'une architecture d'alimentation avancée à chemins de puissance multiples, basée notamment sur un chemin direct à haut rendement entre les récupérateurs d'énergie et les charges consommantes, le système peut optimiser son rendement énergétique lorsque l'énergie est récupérée dans l'environnement. Cette architecture d'alimentation requiert néanmoins un contrôle numérique fin afin de déterminer à tout moment le chemin de puissance optimal entre les récupérateurs, les capacités et batterie de stockage, et les charges consommantes. Un contrôleur intégré asynchrone réalise une gestion événementielle de ces chemins de puissance et permet au système d'être robuste face aux variations énergétiques environnementales. Après une modélisation et une analyse des gains de l'architecture avancée de gestion de puissance, un contrôleur événementiel adapté aux systèmes de capteurs communicants est proposé. Ce contrôleur est implémenté en logique asynchrone quasi insensible aux délais (QDI) et offre au système une robustesse intrinsèque forte aux variations environnementales en addition à sa très faible consommation. Un circuit de gestion d'alimentation pour nœud de capteurs communicant est ainsi fabriqué en technologie CMOS 180nm et intègre des innovations tant architecturales que de gestion numérique applicative. Sa consommation globale proche d'1µW permet ainsi la réalisation de systèmes de capteurs fonctionnels pour des applications mettant en jeu des puissances de l'ordre du microwatt, autorisant en conséquence la mise en place de réseaux de capteurs ultra faible consommation.

Cette thèse étudie expérimentalement la possibilité de récupérer l'énergie thermique en utilisant un alliage à mémoire de forme (AMF) couplé à un matériau pyro-/piézoélectrique. Cette méthode est prometteuse pour récupérer les variations lentes et petites de température. Les premiers prototypes de récupérateurs d'énergie ont été fabriqués et ont démontré pouvoir produire une énergie spécifique intéressante. Les technologies de dépôt de couches d'AMF Ti-Ni-Cu micro-structurées ont été développées. Ce travail servira de base pour la future fabrication de micro-récupérateurs d'énergie thermique exploitant des AMFs.

La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l'environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d'un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée.