Résumé:
Le développement de systèmes de récupération d’énergie (ou energy harvesting systems) 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 santé, 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 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 les 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 thermostatiques. 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. 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 à micro-échelle, un important travail de fond a d’abord été effectué sur la compréhension et la modélisation des phénomènes de couplages thermomécaniques à l’origine du comportement bistable des membranes bimétalliques. Ce travail a débouché sur la démonstration théorique du fonctionnement des moteurs thermiques à 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 débouché sur des lois d’échelles sur les performances des moteurs thermiques. Finalement, divers procédés de fabrications ont été développés pour permettre la fabrication de microstructures thermiquement bistables.

Devant le jury composé de :
M. Elie LEFEUVRE - Professeur, Université Paris-Sud, Rapporteur
M. Emmanuel DEFAY - Ingénieur Docteur, Luxembourg Institute of Science and Technology, Rapporteur

M. Danick BRIAND - Chercheur, SAMLAB, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Examinateur
M. Skandar BASROUR - Professeur, Université Grenoble Alpes, Examinateur
M. Thomas SKOTNICKI - Directeur produits R&D, STMicroelectronics, Co-directeur
M. Orphée CUGAT - Directeur de Recherche, G2ELAB, CNRS, Directeur de thèse
M. Stéphane MONFRAY - Ingénieur Docteur, STMicroelectronics, Invité
M. Sébastien BOISSEAU - Ingénieur Docteur, CEA-LETI, Invité