Academic literature on the topic 'Récupération d’énergie mécanique'

La fonctionnalisation « intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène à croissance rapide. L’installation des smartphones dans le quotidien des personnes en une décennie à peine en témoigne. L’autonomie énergétique de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes d’ergonomie que de ressources : l’usage de piles ou batteries électrochimiques à l’échelle de milliards d’objets connectés est difficilement envisageable. La récupération d’énergie se pose en alternative pour complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser l’énergie mécanique de la personne afin d’alimenter un vêtement intelligent en énergie électrique.Après avoir identifié le besoin énergétique d’un vêtement connecté typique, et comparé les possibilités des récupérateurs d’énergie de la littérature, trois formats de récupérateurs d’énergie sont étudiés. Le premier est un générateur inertiel à induction résonant non linéaire, de la taille d’une pile AA et permettant l’exploitation des impacts des pas de la personne. L’étude porte essentiellement sur la modélisation et l’optimisation du système pour l’activité humaine. Le prototype associé présente une densité de puissance supérieure à 500µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un générateur inertiel à induction. D’une forme « toroïdale », il exploite le balancier des membres de la personne, et est capable de produire des puissances supérieures au milliwatt lorsqu’il est fixé au niveau du pied ou du bras. Enfin, le troisième concept de récupérateur d’énergie proposé s’appuie sur la transduction électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe la triboélectricité avec un circuit d’auto-polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser l’énergie électrostatique générée. Le dispositif réalisé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de 150µJ par cycle. Cette architecture électrostatique ouvre d’intéressantes possibilités en matière d’ergonomie et d’intégration dans les vêtements. En effet, elle laisse entrevoir le développement de structures étirables et flexibles s’adaptant bien aux contraintes de cette application.La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du domaine de la conversion de l’énergie mécanique de la personne
The functionalization of common objects in the human’s environment with electronics is a fast-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of ergonomics as well as resources: the use of electromechanical batteries to fuel billions of connected “things” is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to efficiently convert the user’s mechanical energy to ensure the electrical self-sufficiency of smart wearables.Based on power requirement considerations for a typical “smart shirt” and comparing human energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly modelled and optimized device is able to generate power densities over 500µW/cm3 while attached on the arm during a run. The second considered energy harvester format is a “looped” inertial structure which is adapted to exploit the swing-type motions of the user’s limbs. This system is able to produce milliwatts-level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric effect with a circuit of built-up self-polarization, Bennet’s doubler. It enables high levels of bias voltages without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle. A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well complying with the comfort requirements of worn systems.The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future developments of energy harvesters converting one’s mechanical energy

Que son intérêt soit environnemental ou économique, qu’elle s’applique aux macro, micro ou nano systèmes,la récupération d’énergie est une solution permettant de s’affranchir du remplacement, de la recharge ou même de l’utilisation de piles. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre Oxylane (Decathlon) etle CEA et son objectif est la conception d’un circuit électronique de gestion permettant de récupérer l’énergie mécanique humaine pendant une pratique sportive afin d’alimenter un capteur communicant sans fil. Le système électronique développé dans ce travail exploite l’énergie électrique issue de récupérateurs piézoélectriques,l’extrait et la met en forme grâce à une technique d’extraction efficace et un circuit de puissance approprié.Face au comportement aléatoire de l’être humain fournissant une énergie mécanique intermittente et irrégulière,la topologie Flyback et la technique d’extraction SECE ("Synchronous Electric Charge Extraction") sont utilisés. Le récupérateur est déchargé à son maximum de tension par l’intermédiaire d’une inductance couplée et de deux transistors MOSFETs commandés. Ce travail propose une nouvelle variante de SECE : la technique MS-SECE ("Multi-Shot Synchronous Electric Charge Extraction") permet de transférer l’énergie en plusieurs paquets afin de diminuer les pertes résistives ou le volume du circuit magnétique. Afin de satisfaire la contrainte d’encombrement de l’application visée par Oxylane, un circuit de récupération implémentant cette nouvelle technique est fabriqué en technologie intégrée CMOS 0,35 μm. L’ASIC possède une consommation très faible(1 μW) et commande le circuit de puissance et quelques composants discrets. De cette façon, l’énergie électrique est convertie efficacement vers une capacité réservoir sous 3V. De plus, grâce à ses deux modes de fonctionnement("passif non-optimisé" et "actif optimisé") utilisés successivement, le circuit démarre sans énergie initiale et fonctionne sans batterie rechargeable. Le système final est compatible avec une grande variété de récupérateur piézoélectriques, notamment lorsque leur tension de sortie est élevée (>50V), et permet l’autonomie en énergie d’un capteur communicant sans fil consommant environ 100 μW
No matter what its purpose is, economic or environmental, energy harvesting is a relevant solution to replaceor to get rid of primary batteries. This thesis is part of a collaborative laboratory between the CEA and Oxylane(Decathlon) and its aim is the design of a power management circuit which harvests mechanical energy fromhuman movements during sport practice in order to power aWireless Sensor Node (WSN). The electronic circuitwhich has been developed in this work recovers energy from piezoelectric harvesters, extracts and conditionsit thanks to an efficient energy extraction technique and to an appropriate power circuit. In response to therandom behavior of human body which supplies an intermittent and irregular energy, the Flyback topology andthe Synchronous Electric Charge Extraction technique (SECE) are employed. The energy harvester is dischargedat its maximum voltage through a coupled-inductor and two MOSFETs transistors. This work proposes a newextraction technique, derived from SECE : MS-SECE ("Multi-Shot Synchronous Electric Charge Extraction")transfers the energy in several magnetic discharges which decreases the resistive losses or the size of the magneticcomponent. In order to satisfy the size constraints aimed by Oxylane, an integrated circuit, fabricated in theAMS 0,35 μm CMOS technology, implements the MS-SECE autonomously. This very low power (1 μW) ASICcontrols the power circuit and a couple of external components. This way, the electrical energy is efficientlyconverted towards a buffer capacitor under 3V. Furthermore, thanks to its two operating modes (passive/nonoptimizedand active/optimized) successively employed, the circuit self-starts and works without battery orinitial energy. The complete system is compatible with a large variety of piezoelectric harvesters, especiallywhen their output voltages are large (>50V). Finally, it enables the complete autonomy of a WSN consumingaround 100 μW

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet Autonotex et vise à développer un textile connecté et autonome en énergie. Le textile permettra de monitorer des draps médicaux et des sous-vêtements professionnels. Le principal objectif est de s’affranchir des batteries traditionnelles dans les smart textiles et développer un textile qui utilisera les mouvements du corps humain comme source d’énergie pour alimenter les capteurs placés aux endroits stratégiques sur les vêtements. Pour relever ce challenge, le projet Autonotex s’est basé sur le développement de nouvelles fibres piézoélectriques. Ces matériaux permettent de générer un fort potentiel électrique lorsqu’ils sont soumis à des sollicitations mécaniques. Dans un contexte textile, le polymère polyfluorure de vinylidène (PVDF) a été utilisé pour la production de multi-filaments par procédé de filage en voie fondue. Ce polymère est connu pour son caractère piézoélectrique lorsqu’il se trouve dans une certaine conformation cristalline. Le premier enjeu du sujet de thèse est donc d’optimiser cette phase lors du procédé de production des filaments. Par la suite, deux stratégies ont été envisagées. Dans un premier cas, les filaments 100 % PVDF sont utilisés pour la fabrication d’étoffes textiles qui une fois instrumentées par des électrodes permettent de générer une tension de sortie électrique. Un premier prototype d’une étoffe piézoélectrique couplée à des électrodes imprimées en 3D a permis de vérifier la faisabilité du dispositif. La seconde stratégie a été de développer un filament tricomposant, formé par le polymère piézoélectrique et deux couches de composites polymères conducteurs jouant le rôle d’électrodes
This study is part of the Autonotex project and aims to develop a connected and autonomous energy textile. The textile is intended for the manufacture of medical sheets monitoring patients and professional underwear. The main objective is to overcome the traditional batteries in smart textiles and develop a textile that will use the movements of the human body as a battery to power sensors placed strategically on clothing. To meet this challenge, the Autonotex project is focused in part on the development of new piezoelectric fibers. These materials generate a high electrical potential when subjected to mechanical stresses. In this new context, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymer can be used to produce multi-filaments by melt spinning process. This polymer is known for its piezoelectric property linked its crystalline forms. The first issue of the PhD subject is to optimize this phase during the process of production of the filaments. Subsequently, two strategies were considered. In a first case, the 100% PVDF filaments are used for the production of textile fabrics which, once instrumented by electrodes, generate an electrical output voltage. A first prototype of a piezoelectric fabric coupled to electrodes by 3D-printing allows checking the feasibility of the plan. The second strategy was to develop a tri-component filament formed by the piezoelectric polymer and two layers of conducting polymer composites acting as external/internal electrodes

Les récents progrès dans le domaine des MEMS organiques suscitent un intérêt croissant dans la substitution de micropoutres inorganiques par des micropoutres organiques pour diverses applications. N’ayant été étudiée qu’en mode statique, la réponse électrostrictive des MEMS organiques est présentée pour la première fois en mode dynamique. L’une des originalités de ce travail est de fabriquer un micro-récupérateur d’énergie mécanique avec une approche « tout-organique ». Dans cette thèse, des matériaux nanocomposites à base d’oxyde de graphène réduit (rGO) dispersé dans du poly-dimethyl siloxane (PDMS), sont utilisés pour la récupération de l'énergie mécanique vibratoire avec une transduction électrostrictive. Le dispositif génère une densité de puissance électrique de 8,15 W/cm3 pour une accélération de 1 g au premier mode de résonance (≈ 17 Hz)
Recent advances in the field of organic MEMS have generated interest in the substitution of inorganic microbeams by organic ones for various applications. Until now, the use of electrostrictive materials is limited to the MEMS operating mostly in static mode. The electrostrictive response of organic MEMS is presented here for the first time in dynamic mode. One of the originality of this work is to produce a micro-mechanical energy harvester fabricated in an all-organic approach. In this thesis, strain sensitive nanocomposite materials based on reduced graphene oxide (rGO) dispersed in polydimethylsiloxane (PDMS) are used for mechanical vibratory energy harvesting with an electrostrictive transducer. With an acceleration of 1 g of the microcantilever base, actuation at the first resonant mode (≈ 17 Hz) generates an electrical power density of 8.15 μW/cm3

Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté
A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented

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
The aim of this thesis is to develop a self-powered Structural Health Monitoring (SHM) system for aeronautical applications. This system has to be fully autonomous and has to be able to carry out SHM tasks such as damage detection and location. The energetic autonomy of the system is provided by a vibrational energy harvesting technology using bonded SHM piezoelectric transducers. In this document,an analytical model of the energy harvesting process has been proposed. This model, validated by the Finite Element Method (FEM), allows the optimization of the energy harvesting system by determining the ideal type of transducers as well as their optimal dimensions and locations. Then, this model has been applied to a configuration aiming to be more representative of the in-flight vibrations experienced by a structure. Good agreement has been found between the analytical simulation and the experimental measurements. A power of 1.67mW has been harvested and the wideband capability of the transducers has been verified. Afterwards, the possibility of using the vibrational energy harvesting technology to control composite structures on assembly line has been investigated. For this case study, a transducer strategically located nearby an available power supply generates Lamb waves throughout the structure to tackle the absence of natural vibration. The remaining sensors, spread all over the structure, convertthe mechanical vibrations into electrical power. Using this technology, a power of 7.36mW has been harvested. Finally, this SHM system has also been able to detect a tool drop on the composite structure and to light simultaneously and autonomously a light-emitting diode (LED) simulating the consumption required to transmit the information wirelessly

Avec le développement croissant de réseaux sans fil de capteurs de faible puissance pour ce que l’on appelle l’Internet des objets, il est nécessaire de trouver des moyens efficaces d’assurer l’autonomie énergétique des nœuds de détection. Parmi les différentes solutions de récupération d’énergie, la conversion en énergie électrique de l’abondante énergie mécanique présente dans l’environnement est très prometteuse. Dans ce domaine de recherche émergent, les nanofils (NFs) de ZnO ont été fortement étudiés au cours de ces deux dernières décennies, à la fois en tant que tels, et intégrés dans des nanocomposites. À l’échelle nanométrique, ils présentent des propriétés électromécaniques meilleures que le matériau massif, ainsi qu’une intégration facile sur des substrats rigides ou flexibles. Néanmoins, des divergences intrigantes entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques disponibles au début de cette thèse ont mis en évidence la nécessité d’une meilleure compréhension du fonctionnement piézoélectrique des composites à base de NF, en particulier pour ce qui concerne deux aspects importants qui avaient été peu traités jusqu’alors: le couplage entre les propriétés piézoélectriques et semi-conductrices dans les simulations numériques et la dépendance des propriétés électromécaniques avec la méthode de croissance des NFs de ZnO ou avec l’influence de l’environnement des NFs dans les expériences.Du point de vue théorique, cette thèse de doctorat étudie le couplage des propriétés piézoélectriques et semi-conductrices des NFs de ZnO et de leur nanocomposites et fournit des lignes directrices d’optimisation pour les applications de transduction électromécanique. Cette étude prend en compte l’influence du niveau de dopage, de la densité de porteurs libres, des pièges d’interface et des paramètres géométriques sur les paramètres électromécaniques. Des simulations numériques de nanocomposites à base de NF de ZnO sous compression mécanique ont été effectuées à l’aide de la méthode des éléments finis (FEM). Expérimentalement, plusieurs modes de microscopie à force atomique (AFM), tels que la microscopie à force piézoélectrique (PFM), la microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM) et la microscopie à force atomique conductrice (C-AFM) ont été utilisés, afin de sonder localement les paramètres électriques et électromécaniques qui jouent un rôle clé dans l’efficacité de la réponse piézoélectrique des NFs de ZnO. Nos résultats ont montré que le niveau de dopage, les porteurs libres et les pièges d'interface, ainsi que la dynamique des pièges, doivent être pris en compte pour expliquer l’amplitude et l’asymétrie potentielle de la réponse électromécanique ou l’influence que la géométrie a sur elle. Ils montrent que les propriétés semi-conductrices doivent être prises en compte pour l’analyse des résultats expérimentaux et la conception correcte de dispositifs électromécaniques autonomes basés sur des NFs de ZnO et leurs nanocomposites
With the increasing development of wireless networks of low-power sensors for the so-called internet-of-things, there is a need for efficient ways to ensure the energetic autonomy of sensing nodes. Among the various energy harvesting solutions, converting the abundant mechanical energy present in the environment into electrical energy is very promising. In this emerging field of research, ZnO nanowires (NWs) have been strongly studied during these last two decades, both as such, and integrated into nanocomposite materials. At the nanoscale, they feature improved electromechanical properties compared to bulk, as well as easy integration and manufacturing, on both rigid and flexibles substrates. However, some intriguing discrepancies between the experimental and simulation results available at the beginning of this PhD highlighted the need for a better understanding of the piezoelectric operation of NW-based composites, especially for what concerns two important aspects which had been poorly addressed so far: the coupling between piezoelectric and semi-conducting properties in simulations, and the dependence of electromechanical properties with ZnO NW growth method or with NW surrounding environment in experiments.From the theoretical point of view, this Ph.D. thesis studies the coupling of piezoelectric and semiconducting properties in ZnO NWs and related nanocomposites and provides optimization guidelines for mechanical to electrical transducing applications. It investigates the influence of doping level, free carrier density, interface traps and geometrical parameters on electromechanical parameters. Simulations of ZnO NW-based nanocomposites under mechanical compression were performed using the Finite Element Method (FEM). Experimentally, several atomic force microscopy (AFM) modes, such as piezoelectric force microscopy (PFM), Kelvin probe force microscopy (KPFM), and conducting atomic force microscopy (C-AFM) were used, in order to probe locally electrical and electromechanical parameters which play a key role in the efficiency of the piezoelectric response of ZnO NWs. Our results showed that doping level, free carriers and surface traps, as well as traps dynamics, must be considered in order to explain the amplitude and the potential asymmetry of the electromechanical response, or the influence that geometry has on it. They demonstrate that semiconducting properties should be taken into account for the analysis of experimental results and for the correct design of electromechanical self-powered devices based on ZnO NWs and nanocomposites

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d’énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L’objectif recherché est d’apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d’une part d’améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d’autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (< que 1KHz) compatible avec le spectre de nombreuses sources vibratoires usuelles. Une série de modélisation par éléments finis d’un convertisseur type (poutre avec masse sismique) a établi les paramètres dimensionnels optimaux de la zone nanostructurée. L’efficacité de ce procédé de nanostructuration localisée a ensuite été évaluée expérimentalement sur des membranes en silicium. Il a été observé une réduction de la fréquence de résonance du mode fondamental, tout en minimisant les pertes par un choix judicieux de l’emplacement et de la largeur de la zone poreuse. (ii) Le développement de dispositifs récupérateurs à sensibilité multidirectionnelle. Ces dispositifs permettent de récupérer l’énergie quel que soit la direction de la sollicitation externe. Ils exploitent 3 modes propres distincts de flexion sollicités chacun par une composante particulière (ax, ay ou az) du vecteur accélération caractéristique de la sollicitation. Ces dispositifs basés sur une structure planaire de type double poutres orthogonales avec masse sismique centrale sont facilement intégrables et peuvent être déclinés de l’échelle centimétrique à l’échelle millimétrique en utilisant dans ce cas les technologies de type MEMS. Un modèle analytique simple a d’abord mis à jour les mécanismes énergétiques qui permettent d’obtenir une quantité d’énergie constante lorsque le dispositif est soumis à un vecteur sollicitation de direction quelconque. L’optimisation du coefficient de couplage électromécanique de chaque mode fonctionnel, ainsi que l’ajustement de leur fréquence de résonance ont été obtenu à l’aide d’un modèle à éléments finis. L’ensemble de ces résultats théoriques a été expérimentalement validé à l’aide de prototypes centimétriques
This thesis work focuses on the development of new piezoelectric energy recovery systems from environmental mechanical vibration. The goal is to provide solutions to some strong constraints on the miniaturization of these systems, their integration in MEMS technology. The 2 major lines followed in this work are: (i) the nanostructuring by porosification silicon substrate. This method allows to create functionalized areas having local properties of density and lower rigidity than those of the silicon substrate. This allows on the one hand to improve the overall electromechanical coupling coefficient of the structure and, secondly, to maintain the resonant frequency of the operational mode in a low frequency range (< 1KHz) compatible with the spectrum of Many conventional vibratory sources. A series of finite element modeling of a type converter (beam with seismic mass) established the optimum dimensional parameters of nanostructured area. The effectiveness of this localized nanostructuring method was then evaluated experimentally on silicon membranes. It was observed a reduction of the resonance frequency of the fundamental mode, while minimizing losses by a judicious choice of the location and the width of the porous zone. (Ii) The development of recovery devices multidirectional sensitivity. These devices allow to recover energy regardless of the direction of the external load. They use 3 different eigenmodes bending each solicited by a particular component (ax, ay and az) vector solicitation characteristic acceleration. These devices based on a planar structure type double orthogonal beams with central seismic mass can be easily integrated and can be broken down to centimeter scale at the millimeter scale using in this case the MEMS technologies. A simple analytical model was first updated energy mechanisms that enable a constant amount of energy when the device is subjected to a bias vector in any direction. The optimization of the electromechanical coupling coefficient of each functional mode, and the adjustment of their resonance frequency were obtained using a finite element model. All these theoretical results has been experimentally validated using centimeter prototypes

Le travail de cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle appelée SSDH (Synchronized Switch Damping and Harvesting) basée sur l’idée de redistribution de l’énergie récupérée pour réduire l’énergie vibratoire d’une structure. De nombreuses recherches ont concerné le contrôle de vibration des structures souples. L’utilisation de l’approche modale pour ce genre de structure présente de nombreux intérêts. Dans le cadre de cette thèse l’idée est de récupérer l’énergie des modes qui ne sont pas contrôlés de façon à améliorer l’effet d’amortissement des modes ciblés par le contrôle sur une même structure. Pour cela, sur la base de la technique semi-active de contrôle, un circuit de contrôle modal a été conçu pour être compatible, via un convertisseur, avec des techniques semi-active de récupération d’énergie qui ont elles même été adaptées en modal. Plusieurs variantes de la méthode SSDH ont été testées en simulation. De façon à estimer l’efficacité du concept, une application sur un modèle expérimental d’une smart structure simple est proposée. Actionneurs et capteurs utilisent des matériaux piézoélectriques qui présentent les effets directs et inverses utiles pour la récupération d’énergie et le contrôle vibratoire. Après optimisation des différents paramètres électromécaniques et électriques, les résultats des simulations menées sous excitations bisinusoidale ou en bruit blanc, montrent que la nouvelle méthode de contrôle autoalimentée SSDH est efficace et robuste. Elle améliore sensiblement l’amortissement produit par les techniques semi-actives modales de base (SSDI) grâce à l’utilisation de l’énergie modale récupérée
In a context of embedded structures, the next challenge is to develop an efficient, energetically autonomous vibration control technique. Synchronized Switch Damping techniques (SSD) have been demonstrated interesting properties in vibration control with a low power consumption. For compliant or soft smart structures, modal control is a promising way as specific modes can be targetted. This Ph-D work examines a novel energy transfer concept and design of simultaneous energy harvesting and vibration control on the same host structure. The basic idea is that the structure is able to extract modal energy from the chosen modes, and utilize this harvested energy to suppress the target modes via modal control method. We propose here a new technique to enhance the classic SSD circuit due to energy harvesting and energy transfer. Our architecture called Modal Synchronized Switching Damping and Harvesting (Modal SSDH) is composed of a harvesting circuit (Synchronized Switch Harvesting on Inductor SSHI), a Buck-Boost converter and a vibration modal control circuit (SSD). Various alternatives of our SSDH techniques were proposed and simulated. A real smart structure is modeled and used as specific case to test the efficiency of our concept. Piezoelectric sensors and actuators are taken as active transducers, as they develop the direct and inverse effects useful for the energy harvesting and the vibration damping. Optimization are running out and the basic design factors are discussed in terms of energy transfer. Simulations, carried out under bi-harmonic and noise excitation, underline that our new SSDH concept is efficient and robust. Our technique improve the damping effect of semi-active method compared to classic SSD method thanks to the use of harvested modal energy