Capteurs mécaniques flexibles à nanocracks
La flexibilité mécanique représente une caractéristique majeure des composants et systèmes électroniques du futur pour assurer le développement d’objets connectés portables et conformables. Un marché colossal autour de l’électronique flexible est attendu pour la prochaine décennie avec l’expansion de l’internet des objets [1]. Dans ce contexte, les transducteurs piézorésistifs représentent un élément clé pour le développement d’une multitude de fonctions capteurs permettant de recueillir des données en temps réel (ex : contrôle tactile, suivi médical, fonctions de reconnaissance, gaz- et -bio-sensing) [2]. L’équipe Dispositifs Électroniques (DE) de l’INL a développé ces dernières années une expertise dans le domaine de l’intégration à bas coût et faible budget thermique de jauges de déformations sur substrats souples et dans le développement de MEMS [3,4].
Un résultat marquant a été obtenu récemment avec la démonstration d’un facteur de jauge record de 20000 à 0,3% de déformation à partir d’un film nanocomposite fissuré [4]. La technologie des jauges de déformation à nanocracks repose sur le principe de fonctionnement suivant [5] : sous contrainte mécanique, l’ouverture progressive de fissures pré-formées au sein d’une couche mince conductrice engendre une variation géante de sa résistance électrique. La clé pour optimiser la sensibilité avec cette technologie est de contrôler la morphologie des fissures présentes au cœur du film. Nous avons récemment démontré que l’utilisation d’un film mince nanostructuré constitué de nanoparticules de platine encapsulées dans de l’alumine nous permet de générer des fissures localisées avec une morphologie extrêmement bien contrôlée (FIG. 1). La faible dispersion obtenue sur la taille des aspérités dans la fissure nous permet d’atteindre des facteurs de jauge géants à des niveaux de déformation inférieurs à 1% pour des applications en électronique flexible. Grâce à cette technologie hautement sensible, nous avons également démontré la faisabilité d’un capteur de prise de pouls radial permettant de suivre l’activité cardiaque d’un individu au repos (FIG. 2). Ces travaux ouvrent des perspectives dans les domaines des capteurs biomédicaux et des capteurs environnementaux.
Contacts:
Etienne PUYOO –
Christophe MALHAIRE –
Collaborations & Remerciements:
Ces travaux ont été réalisés avec le support de Solène Brottet, Joëlle Grégoire, Céline Chevalier et Khaled Ayadi de la plateforme technologique NanoLyon et de Daniel Vincent du service Mécanique de l’INL.
Références:
[1] S. Gupta & al., npj Flexible Electronics, 2(8), 1-5 (2018)
[2] M. Amjadi & al., Adv. Funct. Mater., 26, 1678-1698 (2016)
[3] E. Puyoo & al., Appl. Phys. Lett., 110, 123103 (2017)
[4] E. Puyoo & al., IEEE Sensors Letters, 2(3), 1-4 (2018)
[5] D. Kang & al., Nature, 516, 222-226 (2014)
