Capteurs de pression souples à base de PDMS poreux pour la mesure non invasive d'appuis corporels : fabrication et analyse des performances

Porous PDMS-based flexible pressure sensors for non-invasive measurement of body pressure : fabrication and performance analysis

• Auteur / Autrice : Sylvie Bilent
• Direction : Pierre-Yves Joubert, Emile Martincic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 05/04/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Haghiri-Gosnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Debeda, Gaëlle Lissorgues, Nicolas Wilkie-Chancellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Debeda, Gaëlle Lissorgues

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes de carbone

Permittivité

Microcapteurs

Mots clés libres

Capteur de pression capacitif

Diélectrique poreux

Électrode souple

Flexibilité

Sensibilité

Capacitive pressure sensor

Dielectric

Electrode

Flexibility

Sensitivity

Résumé

Dans ce contexte, mes travaux portent sur la conception et la fabrication de capteurs capacitifs flexibles pour la mesure des champs de pression. À cet égard, l'introduction de microporosités dans le polymère déformable utilisé est étudiée afin de contrôler les propriétés mécaniques du matériau polymère, et d'optimiser les performances des capteurs réalisés (sensibilité, gamme de mesure, robustesse...). Dans ces travaux, plusieurs techniques de fabrication de PDMS poreux ont été développées permettant l'obtention d'une grande étendue de porosités. Deux types de PDMS poreux ont été fabriqués : PDMS à porosité non-ordonné obtenu en mélangeant différents ratios volumiques de sucre avec du PDMS et PDMS à porosité ordonné obtenu en utilisant un moule sacrificiel en PVA (Poly(Alcool Vinylique)) obtenu par impression 3D. La sensibilité du PDMS poreux aux variations de température et d'humidité a été étudiée et les sensibilités à ces paramètres environnementaux restent faibles. Par la suite, les caractérisations électromécaniques des capteurs fabriqués permettent le développement d'un modèle universel des caractéristiques électromécaniques de capteurs souples à base de PDMS. Ce modèle permet de comparer les performances des différents capteurs de manière systématique et objective à travers l'estimation de leur sensibilité et de leur étendue de mesure. Des tendances générales sont dégagées et une analyse du comportement des capteurs en fonction des propriétés du matériau est proposée. Un second modèle affiné à deux termes est également proposé afin de différencier les comportements « poreux » et « massif » de la couche diélectrique. Pour terminer, nous avons validé la fabrication et la fonctionnalité d'électrodes souples à base de PDMS chargé, que l'on peut associer aisément à la couche diélectrique afin de constituer des capteurs capacitifs complètement flexibles. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse ouvre la voie au dimensionnement et à la réalisation de dispositifs multi-capteurs complexes pour le suivi des champs de pression.

This thesis is part of the development of flexible and portable electronic devices based on PDMS (PolyDiMethylSiloxane) polymer for real-time monitoring of the human body activity. In this context, my work focuses on the design and fabrication of flexible capacitive sensors for the measurement of pressure range. In this context, the introduction of micro-porosities in the deformable polymer used is studied in order to control the mechanical properties of the polymer material, and to optimize the performance of the sensors (sensitivity, pressure range, robustness...). In this work, several techniques for the fabrication of porous PDMS have been developed allowing the obtention of a large range of porosities. Two types of porous PDMS were fabricated: PDMS with unordered porosity obtained by mixing different volume ratios of sugar with PDMS and PDMS with ordered porosity obtained by using a 3D printed sacrificial PVA (PolyVinyl Alcohol) mold. The sensitivity of porous PDMS to temperature and humidity variations was investigated and remained low. Subsequently, the electromechanical characterizations of the fabricated sensors allow the development of a universal model of the electromechanical characteristics of PDMS-based flexible sensors. This model allows us to compare the performances of the different sensors in a systematic and objective way through the estimation of their sensitivity and their pressure range. General trends are identified and an analysis of the behavior of the sensors as a function of the material properties is proposed. A second refined two-term model is also proposed to differentiate the "porous" and "bulk" behavior of the dielectric layer. Finally, we have validated the fabrication and functionality of flexible electrodes based on loaded PDMS, which can be easily combined with the dielectric layer in order to constitute fully flexible capacitive sensors. All the results presented in this thesis open the way to the dimensioning and realization of complex multi-sensor devices for pressure field monitoring.