The Internet of Things (IoT) is an infrastructure of physical objects connected via the Internet that can exchange data to achieve efficient resource management. Billions of devices must be self-powered and low-cost considering the massive scale of the IoT. Thus, there is a need for low-cost ambient energy harvesters to power IoT devices. It is a challenging task since ambient energy might be unpredictable, intermittent and insufficient. For example, solar energy has limitations such as intermittence and unpredictability despite utilizing the highest power availability and relatively mature technology. Designing a multi-source energy harvester (MSEH) based on continuous and ubiquitous ambient energy sources might alleviate these issues by providing versatility and robustness of power supply. However, combining several energy harvesters into one module must be done synergistically to ensure miniaturization, compactness and more collected energy. Also, additive manufacturing techniques must be used to achieve low-cost harvesters and mass manufacturability. This dissertation presents two different kind of ambient energy harvesters, namely radio frequency energy harvester (RFEH) and thermal energy harvester (TEH). Each harvester is individually optimized and then synergistically combined into a MSEH. First, RFEH is designed for triple-band harvesting (GSM900, GSM1800, 3G2100) using the antenna-on-package concept and fabricated through 3D and screen printing. TEH collects energy from temperature fluctuations of ambient environment through a combination of thermoelectric generators and phase change materials. It is adapted specifically for the desert conditions of Saudi Arabia. Later, TEH and RFEH are combined to realize MSEH. Smart integration is achieved by designing a dual-function component, heatsink antenna, that serves as a receiving antenna of RFEH and a heatsink of TEH. The heatsink antenna has been optimized for both antenna radiation performance and heat transfer performance. Field tests showed that the MSEH can collect 3680μWh energy per day and the outputs of TEH and RFEH have increased 4 and 3 times compared to the independent TEH and RFEH respectively. To validate the utility of the MSEH, a temperature/humidity sensor has been successfully powered by the MSEH. Overall, sensor’s data can be wirelessly transmitted with time intervals of 3.5s, highlighting the effectiveness of the synergistic MSEH.

Le développement de systèmes de récupération d’énergie (ou energy harvesting systems en anglais) va de pair avec l’émergence de l’Internet des Objets et notamment la prolifération de réseaux de capteurs devant répondre aux besoins croissants en informations, que ce soit dans le domaine de l’industrie, de la sante, de la domotique ou de l’environnement qu’il soit urbain ou naturel. 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 déploiement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce a 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 adaptes a ces contraintes énergies. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs 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 proposes pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique, solaire ou électromagnétique.Le présent travail est une contribution au développement de certains dispositifs de récupération thermiques basés sur l’exploitation des propriétés thermiques et mécaniques de bilames thermostatique. Ce type de générateurs, propose et développe au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas cout a l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Divers dispositifs ont déjà été fabriqués, démontrant la capacité des moteurs thermiques à base de bilames thermostatiques à alimenter des capteurs autonomes en fonctionnement synchrone et asynchrone. L’objectif de cette thèse est alors de démontrer la possibilité de miniaturiser de tels moteurs thermiques grâce aux techniques de fabrications utilisées en microélectronique. Afin de garantir le fonctionnement de ces systèmes a micro-échelle, un important travail de fond a d’abord été effectue sur la compréhension et la modélisation des phénomènes de couplages thermomécaniques a l’origine du comportement bistable des membranes bimétalliques. Ce travail a débouché sur la démonstration théorique du fonctionnement des moteurs thermiques a base de bilames et sur l’évaluation de leur performances énergétiques (énergie disponible, efficacité thermique, efficacité de Carnot relative). Dans la continuité de ce premier modèle, d’autres travaux ont été menés pour évaluer les performances de moteurs thermiques exploitant différents phénomènes de couplage électromécanique en vue de convertir l’énergie mécanique générée par les bilames thermostatiques en énergie électrique exploitable par les capteurs autonomes. La simulation du comportement des micro-générateurs à l’aide de ces divers modèles a debouché sur des lois d’échelles sur les performances des moteurs thermiques. Finalement, divers procédés de fabrications ont ete développé pour permettre la fabrication de microstructures thermiquement bistables. / The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) and especially the proliferation of Wireless Sensors Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban or natural environments, the home, or the human body etc. Recent progress in the field of information technologies have enabled to remove some of the technical obstables to the deployment of these smart and autonom devices, in particular thanks to the improvement of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits, or the creation of wireless communications standards adapted to the energy needs of wireless sensors. Given the great availability of energy sources, energy harvesters are reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Various technologies of generators have been developped to adapt to the type of local energy sources (heat, vibration, light, radio-frequencies).The present work is a contribution to the development of thermal energy harvesters exploting the thermal and mechanical properties of bimetal thermostats. This type of technology developped at STMicroelectronics are intended to be a reliable and low-cost alternative to the use of thermoelectric materials exploing Seebeck effect to generate electricity from heat. Various devices were already fabricated at the macro-scale, demonstrating their ability to power wireless sensor nodes. In the continuity of these works, this PhD thesis aims to demonstrate the operation of these generators at the sub-millimetric scale. As a consequence, an important work on the modeling of the thermo-mechanical instability of bimetallic strips was made to understand the operation of bimetallic strip heat engines. This work enabled to theoretically demonstrate the capability of bimetallic to transform heat into mechanical energy and to evaluate the performances of such heat engines. Coupling between bimetallic strip heat engines and electro-mechanical transducers was also modeled to compare the performances of the current prototypes of generators. We then modeled the thermo-mechanical behavior of composite beams at the microscale and established scaling rules of the performances of the bimetallic strip heat engines, We finally developped microlectronic fabrication process to manufacture thermo-mechanically bistable beams at the microscale.

Les systèmes de récupération d'énergie sont prometteurs pour l'auto-alimentation des dispositifs intégrés. Les matériaux pyroélectriques couplant un changement de température à un changement de polarisation électrique peuvent être utilisés pour la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique sans nécessité de maintien de gradients thermiques qui constitue un inconvénient majeur dans les modules thermoélectriques compacts. Dans cette thèse, le PbZro.52Tio.48O3 (PZT) et le BaxSr1-xTiUO3 (x = l et x = 0.7) à fort coefficients pyroélectriques, sont choisis, élaborés en couches minces épitaxiées, caractérisés pour étudier leur potentiel de récupération d'énergie thermique. Ce travail comporte deux aspects : le premier consiste au développement et l'optimisation des conditions de croissance des hétérostructures intégrées et épitaxiées sur silicium. Le deuxième est focalisé sur l'étude des propriétés fonctionnelles (ferroélectriques, diélectriques et pyroélectriques) et à l' estimation du pouvoir de récupération d'énergie principalement des couches de PZT. Une corrélation entre ces deux aspects est ainsi présente. Un changement de la structure cristalline est montré sur les empilements intégrés sur Si, en comparaison avec des structures équivalentes réalisées sur substrat de STO. L'impact de ceci a été directement constaté sur les propriétés fonctionnelles des couches hétéroépitaxiées de PZT. Ainsi une anisotropie importante de ces propriétés a pu être mise en évidence, en complétant cette étude par des mesures dans le plan a l'aide de peignes interdigités. Ces observations ont été cohérentes avec les mesures de la diffraction des rayons X en fonction de la température. Par ailleurs, les différentes méthodes et configurations de mesures du coefficient pyroélectrique sur PZT ont permis une meilleure compréhension du phénomène et la distinction des diverses contributions existantes. La mesure statique indirecte issue de la variation de la polarisation rémanente en fonction de la température renseigne sur l'effet pyroélectrique intrinsèque (et secondaire). Cependant les mesures dynamiques du courant pyroélectrique pendant un changement de la température contiennent toutes les contributions pyroélectriques et non pyroélectriques, comme les effets extrinsèques et le courant de relaxation. Des mesures pyroélectriques dynamiques sous champ électrique, se rapprochant des conditions de cycles de récupération d'énergie thermique, ont permis de montrer que des courants de conduction apparaissaient même pour des bonnes couches de PZT diélectriques épaisses. Ces courants masquent les courants pyroélectriques et rendent l'application de générateur électrique par cycles thermodynamiques sous champ électrique rédhibitoire. Des composants passifs n'utilisant pas ou peu de champs électriques tels que des capteurs devront plutôt être envisagées. / Due to the wasted heat in ever more compact microelectronic devices, the harvesting of thermal energy has become interesting for self-powering small devices. Consequently, pyroelectric materials witch couple a change in temperature to a change in electrical polarization may be used for the conversion of the thermal energy to an electric energy without necessity of maintaining thermal gradients that is a main drawback in compact devices with thermoelectric materials. In this thesis, PbZro.52Tio.48O3 (PZT) and BaxSr1-xTiUO3 (x = l and x = 0.7), with high pyroelectric coefficients are chosen, elaborated in thin epitaxial layers, characterized structurally and electrically to study their potential for thermal energy harvesting. This work has two aspects: the first consists in the development and optimization of the growth conditions of epitaxial heterostructures integrated on Si. The second one focuses on the study of the functional properties ( ferroelectric, dielectric and pyroelectric) and the estimation of the energy harvesting efficiency mainly of PZT layers. A correlation between these two aspects is then done. A change in the crystal structure is shown on the Si-integrated stacks in comparison with equivalent structures grown on STO substrate. This structural behavior impacts directly the functional properties of the heteroepitaxial layers of PZT. Th us, an important anisotropy of these properties was demonstrated and completed by a study of the in plane properties using measurements by interdigital capacitors. These observations were consistent with measurements of X - ray diffraction as a function of temperature. Otherwise, different methods and configurations of pyroelectric coefficient measurements on PZT have allowed a better understanding of the phenomenon and the distinction of the various existing contributions. The indirect static measurement resulting from the variation of the remnant polarization as a function of the temperature gives the intrinsic (and secondary) pyroelectric contributions. However, the dynamic measurements of the pyroelectric current during a change of the temperature contain all the pyroelectric and non-pyroelectric contributions, such as the extrinsic effects and the relaxation current . Dynamic pyroelectric measurements under an electric field are near to the conditions of thermal energy harvesting cycles. Conduction currents appeared, even for good layers of thick dielectric PZT, and mask the pyroelectric currents. This makes the application of electric generator by thermodynamic cycles under electric field prohibitive. Passive components using low or no electrical field such as sensors should be considered.