La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts. / The mechanic vibration energy harvesting using variable capacitance transducers leads to the study of complex nonlinear systems but has very promising application perspectives. Our work focused on the study of a new family of interface circuits for capacitive transducers. Among all the advantages, these circuits are achievable with high efficiencies at very low power, typically a few tens of nanowatts average power, which distinguishes them from the solutions presented in the state of the art. Moreover, the circuits studied in this thesis do not contain any magnetic components, which is a considerable asset in terms of miniaturization and integration and also allows compatibility with magnetic resonance imaging. The various structures which constitute the family of circuits proposed make it possible to satisfy various constraints imposed by the capacitive transducer, in particular, the ratio of the maximum and minimum capacities Cmax / Cmin. For a given output voltage, the voltage applied to the capacitive transducer can be varied by using different circuits or by using a single circuit whose topology is modified by the operation of an electronic switch. In order to describe the overall behavior of the studied systems, the electromechanical coupling of the transducer is taken into account in the developed theoretical models. The studied circuits have been validated experimentally with two capacitive transducers of different structure. In practice, the output of these circuits is close to 80% for converted powers as low as the hundred nanowatts.

Une solution pertinente afin d'alimenter des capteurs isolés consiste à récupérer l'énergie disponible dans leur environnement immédiat. Parmi les sources d'énergie envisageables, notre choix s'est porté sur les vibrations mécaniques ambiantes. Notre contribution porte sur l'étude et la réalisation, par un procédé de fabrication collective, d'un transducteur électrostatique sans électrets en technologie MEMS Silicium. Nous proposons une étude analytique permettant d'optimiser l'efficacité du générateur électrostatique, tout en considérant une limite sur la tension maximale aux bornes du transducteur afin de ne pas endommager le circuit de conditionnement. Le design proposé prend également en compte d'éventuelles variations de l'amplitude des vibrations externes. Le dispositif a été fabriqué au sein de ESIEE Paris et présente un volume total de moins de 100 mm3.Les tests expérimentaux ont montré un comportement fortement non-linéaire de la structure. Nous avons obtenu une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique correspondant à une puissance maximale de 2.3 μW à 260 Hz, pour une accélération de 1 g et à une pression de 0.15 Torr, lorsque le système est pré-chargé avec une tension de 10 V. Une fois implémenté dans un circuit de pompe de charge et pour les mêmes conditions d'accélération et de pression, le système peut fonctionner en complète autonomie pendant plus de 500 secondes pendant lesquelles la puissance délivrée varie de 1.4 μW à 940 nW avec une tension de pré-charge de 10.6 V / A relevant solution to power isolated sensors is to harvest the energy available in their immediate environment. Among the possible sources of energy, our choice was made on ambient mechanical vibrations. We have designed and fabricated a silicon-based and batch-processed MEMS electrostatic transducer which does not use an electret. We present an analytical method to optimize the efficiency of the electrostatic generator, while a voltage limitation on the transducer's terminal is set to prevent any damage in the conditioning electronics. The proposed design also takes into account some possible variations in the amplitude of external vibration. The device was fabricated in ESIEE Paris and its volume is less than 100 mm3. The device was tested experimentally and exhibits a strong non-linear behavior. We obtained a conversion of mechanical energy into electrical energy corresponding to a power of 2.3 μW at 260 Hz, with an acceleration of 1 g and a pressure of 0.15 Torr, when the system is pre-charged with a voltage of10 V. When the device is implemented in a charge pump circuit and under the same parameters of acceleration and pressure, the system can operate in autonomous mode for more than 500 seconds during which the output power varies from 1.4 μW to 940 nW when the pre-charge voltage is 10.6 V

Ce document est rédigé en vue de l'obtention d'un diplôme d'habilitation à diriger des recherches de l'Université Joseph Fourier de Grenoble. Il présente une synthèse de travaux de recherche concernant les transducteurs électroacoustiques et ultrasonores, le Curriculum vitae et la production scientifique du candidat. Les travaux de recherche ont été conduits successivement à l'Université Technique Tchèque à Prague jusqu'en 1993, à l'Ecole Centrale de Lyon entre 1993 et 1994 et à l'Université Joseph Fourier de Grenoble depuis 1994. Les résultats les plus récents ont été obtenus au Laboratoire TIMA au sein de l'équipe RMS. Dans ce document, nous définissons la problématique des transducteurs éléctroacoustiques et ultrasonores et nous traçons les faits les plus marquants du progrès dans ce domaine. Nous présentons brièvement l'état de l'art des transducteurs piézoélectriques, capacitifs, piézorésistifs et électrothermiques en soulignant les réalisations dans le domaine de l'acoustique et des ultrasons. Nous présentons les progrès dans ce domaine apportés par les nouvelles technologies, ainsi que nos travaux sur ces types de transducteurs. Nous aborderons quelques méthodes de test développées pour des applications acoustiques et démontrerons leur applicabilité dans le domaine du test des systèmes analogiques et mixtes. La problématique des transducteurs acoustiques dans diverses applications et l'apport de nouvelles technologies pour leur évolution constituent le fil directeur de ce travail.

Une solution pertinente afin d'alimenter des capteurs isolés consiste à récupérer l'énergie disponible dans leur environnement immédiat. Parmi les sources d'énergie envisageables, notre choix s'est porté sur les vibrations mécaniques ambiantes. Notre contribution porte sur l'étude et la réalisation, par un procédé de fabrication collective, d'un transducteur électrostatique sans électrets en technologie MEMS Silicium. Nous proposons une étude analytique permettant d'optimiser l'efficacité du générateur électrostatique, tout en considérant une limite sur la tension maximale aux bornes du transducteur afin de ne pas endommager le circuit de conditionnement. Le design proposé prend également en compte d'éventuelles variations de l'amplitude des vibrations externes. Le dispositif a été fabriqué au sein de ESIEE Paris et présente un volume total de moins de 100 mm3.Les tests expérimentaux ont montré un comportement fortement non-linéaire de la structure. Nous avons obtenu une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique correspondant à une puissance maximale de 2.3 μW à 260 Hz, pour une accélération de 1 g et à une pression de 0.15 Torr, lorsque le système est pré-chargé avec une tension de 10 V. Une fois implémenté dans un circuit de pompe de charge et pour les mêmes conditions d'accélération et de pression, le système peut fonctionner en complète autonomie pendant plus de 500 secondes pendant lesquelles la puissance délivrée varie de 1.4 μW à 940 nW avec une tension de pré-charge de 10.6 V

Avec la réduction de l’énergie consommée par les capteurs miniatures, a émergé le nouveau concept de capteurs autonomes. Il s’agit de capteurs dont l’alimentation ne dépend pas d’une source embarquée de type batterie, dont la durée de vie est limitée. Ils ont en effet la capacité de puiser l’énergie nécessaire à leur fonctionnement à partir de l’environnement dans lequel ils se trouvent. Ce concept présente de nombreux avantages, notamment la diminution des coûts de maintenance des capteurs par l’absence d’une nécessité de remplacement des piles et par conséquent une facilité accrue du déploiement des réseaux de capteurs sans fil. Parmi les sources d’énergie envisageables, les vibrations mécaniques ambiantes comptent parmi les plus prometteuses puisqu’elles sont présentes dans un grand nombre de structures : véhicules, avions, bâtiments, etc. La conversion des vibrations mécaniques en énergie électrique est réalisée en deux étapes. Dans un premier temps, un résonateur mécanique, constitué d’une masse mobile associée à un ressort, est couplé avec les vibrations de l'environnement. Grâce à ce couplage, la masse oscille dans le système de référence et accumule une énergie mécanique. La deuxième étape est la conversion de cette énergie en énergie électrique. Un transducteur électromécanique est le siège d’une force d'amortissement sur la masse en résonance, et effectue donc un travail négatif sur le système mécanique. Notre choix de transducteur électromécanique s’est arrêté sur les transducteurs électrostatiques et piézoélectriques car ils présentent l'avantage d’être compatibilité avec le procédé CMOS et adaptés à la miniaturisation. Nous avons ensuite conçu et fabriqué un transducteur électrostatique utilisant une technologie silicium verre, qui a nécessité le développement d’un procédé ad hoc de gravure DRIE. Le dispositif a été testé en utilisant un circuit électronique de type pompe de charge. Nous avons obtenu une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique de 61 nW au moyen d’un dispositif dont la surface est de seulement 66 mm², la sollicitation vibratoire étant à la fréquence de résonance mécanique de la microstructure, qui est de 250 Hz et avec une accélération externe de 0,25 g ainsi qu’une tension initiale de 6V. Le résultat a été confronté avec des simulations effectuées sur la base d’un modèle VHDL-AMS. L’écart avec les mesures est inférieur à 3%. Ce dispositif est le premier convertisseur miniature d’énergie basé sur une transduction électrostatique, fabriqué dans un procédé collectif à base de silicium et sans l'adjonction d'un électret. Afin de procéder à une comparaison pertinente de notre travail avec les autres dispositifs rapportés dans la littérature et qui utilisent la transduction électrostatique, nous proposons une nouvelle figure de mérite (FOM) définie comme une puissance convertie normalisée. Bien que l’état de l’art actuel montre que notre réalisation présente l’un des meilleurs facteurs de mérite, la puissance produite n'est cependant pas suffisante pour alimenter un microsystème réel, à cause notamment d’une tension de « pull-in » trop basse. Quelques pistes d’amélioration sont proposées, notamment l’exploitation de non-linéarités mécaniques pour augmenter la bande passante du spectre énergétique exploitable par le micro-dispositif / Due to size effects, the microtechnologies that are used to manufacture micro-sensors, allowed a drastic reduction of electrical power consumption. This feature contributed to the emergence of the concept of autonomous sensors, which have the ability to take the energy needed for their operation from the environment where they are located. Among the different energy sources, our choice was made on ambient mechanical vibrations. The electromechanical conversion is done within a transducer integrated with a micromechanical structure. In this work, we have designed and fabricated an electrostatic transducer based on silicon-glass technology, which required the development of a dedicated deep etching process. The device was tested experimentally and we have obtained a conversion of mechanical energy into electrical energy, corresponding to a power of 61 nW, with a device whose surface area is only 66 mm². This device is the first miniaturized silicon converter based on electrostatic transduction which does not use an electret