Développement de jauges de contrainte à base de nanoparticules colloïdales : Application à la réalisation de surfaces tactiles souples

Colloidal nanoparticle based strain gauges development and application to flexible touch screen panel

• Auteur / Autrice : Nicolas Decorde
• Direction : Laurence Ressier, Benoît Viallet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 06/02/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et chimie des nano objets (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Vieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Ressier, Benoît Viallet, Emanuelle Lacaze
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Calame, David Peyrade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Réseaux de capteurs (technologie)

Jauges de contrainte

Capteurs tactiles

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules colloïdales

Assemblage convectif

Jauges de contrainte

Surface tactile flexible

Conduction

SAXS

Colloidal nanoparticles

Convective Self Assembly

Strain gauges

Flexible touch screen panels

Conduction

SAXS

Résumé

Un grand défi actuel consiste à réaliser des capteurs innovants tirant partie des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et assemblées de manière contrôlée sur des surfaces. L’objet de cette thèse est le développement de jauges de contrainte résistives à base de nanoparticules. Ces jauges de contrainte sont constituées de lignes parallèles, de quelques micromètres de large, denses, de nanoparticules colloïdales d’or synthétisées par voie chimique et assemblées sur des substrats souples par assemblage convectif contrôlé. Le principe de ces capteurs résistifs repose sur la conduction tunnel entre les nanoparticules qui varie de manière exponentielle lorsque que l’assemblée est déformée. Des mesures électro-mécaniques couplées à des observations en microscopie électronique à balayage et à force atomique ont permis d’identifier, de quantifier et de comprendre l’impact de la taille et de la nature des ligands des nanoparticules sur la sensibilité et les phénomènes de dérive de la résistance à vide des jauges de contrainte. Ces travaux, associés à des mesures de diffusion de rayons X aux petits angles ont permis de corréler les variations macroscopiques de résistance électrique des jauges de contrainte aux déplacements relatifs des nanoparticules. Finalement, ces jauges de contrainte ultra-sensibles et miniatures, mises en matrices, ont été exploitées pour réaliser des surfaces tactiles souples multi-points et sensibles à l’intensité de l’appui

One recent big challenge is to implement innovative sensors that take advantage of the unique properties of colloidal nanoparticles chemically synthesized and assembled on various surfaces. The goal of this work is the development of nanoparticle based resistive strain gauges. These strain gauges are constructed of few micrometers wide parallel wires of close packed colloidal gold nanoparticles, chemically synthesized, and assembled on flexible substrates by convective self assembly. The principle of these resistive sensors is based on the tunnel conduction between the adjacent nanoparticles which varies exponentially as the assembly is stretched. Electro-mechanical measurements coupled with scanning electron microscopy and atomic force microscopy observations were used to identify, quantify and understand the impact of the nanoparticle size and the nature of the protecting ligands, on the gauge sensitivity and the drift of the resistance at rest of the nanoparticle based strain gauges. Coupled with small angle x-ray scattering measurements, these studies allowed us to correlate the macroscopic changes in electrical resistance of the strain gauges to the relative displacement of the nanoparticles at the nanoscale. Finally, a matrix of these miniature ultra-sensitive gauges was used to construct flexible touch screen panels capable of measuring the intensity of several touches simultaneously