Développement de nouveaux matériaux polymères pour micro-capteurs de vibrations

Development of new polymer materials for micro-sensors of vibrations

• Auteur / Autrice : Achraf Kachroudi
• Direction : Skandar Basrour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 14/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Tunis El-Manar. Faculté des Sciences de Tunis (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fathi Jomni, Mickaël Lallart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Defaÿ, Fehmi Najar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Microcapteurs

Polymères

Mots clés libres

Polymère

Micro-Capteurs

Piézoelecrets

Polymer

Micro-Sensors

Piezoelectrets

Résumé

Nous avons abordé dans le cadre de ce travail de thèse diverses problématiques fondamentales qui touchent tout d’abord à l’élaboration de nouveaux polymères à propriétés viscoélastiques contrôlées (exemple : variation du module de Young pour de basses fréquences) et ensuite aborder l’intégration de ces matériaux dans des capteurs ou actionneurs de petites dimensions. Les études amont abordées dans ce travail de thèse nous ont permis de constituer un socle solide de connaissances pour le développement de nouveaux dispositifs mettant en jeu par exemple des matrices de micro-actionneurs ou micro-capteurs sur des substrats souples en polymère. Ces aspects applicatifs sont développés dans le cadre de projets collaboratifs menés avec des partenaires académiques. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des matériaux polymères micro-structurés. Nous avons chargé ces matériaux micro-structurés pour obtenir des matériaux avec un comportement piézoélectrique. Ces matériaux sont caractérisés en piézoélectricité indirecte par la spectroscopie d’impédance pour étudier la stabilité thermique de la piézoélectricité dans ces structures. Nos matériaux ont montré une réponse piézoélectrique importante avec un coefficient piézoélectrique longitudinal de 350pC/N. La piézoélectricité est maintenue sur une large gamme de température allant de -25°C à 85°C. Des améliorations ont été réalisées en chargeant les structures à hautes températures comparées aux structures chargées à la température ambiante. Par la suite, Nous avons testé électro-mécaniquement ces structures, ces dernières ont montré des coefficients piézoélectriques importants dans la gamme de fréquence de 1Hz à 100Hz pouvant ainsi couvrir toutes les fréquences de résonance des vibrations existant dans notre vie quotidienne. Des études ont été menées pour les caractérisations diélectriques par la spectroscopie d’impédance des structures non-chargées. De plus des caractérisations des polymères viscoélastiques par DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) afin d’obtenir le comportement fréquentiel de leur module de Young. Les résultats expérimentaux sont analysés en lien avec les propriétés structurales des matériaux. Un prototype a été réalisé afin d’étudier la faisabilité d’un accéléromètre ou un récupérateur d’énergie avec les matériaux ainsi obtenus.

We studied within this working thesis various fundamental issues that affect the development of new controlled viscoelastic polymer properties (eg variation of Young's modulus at low frequencies) and then the integration of these materials in sensors.Preliminary studies discussed in this thesis allowed us to build a solid knowledge for the development of new devices involving such micro-actuator arrays or micro-sensors on flexible substrates in polymer. These applications areas are developed through collaborative projects with academic partners.As part of this thesis, we have designed, fabricated and characterized micro-structured polymer materials. We charged these micro-structured materials for a piezoelectric material with behavior. These materials are characterized in inverse piezoelectric mode by the dielectric resonance spectroscopy to study the thermal stability of piezoelectricity in these structures. Our materials showed a significant response with a longitudinal piezoelectric coefficient of 350pC/N. Piezoelectricity is maintained over a wide temperature range from -25 ° C to 85 ° C. Improvements were carried out by charging the structures to high temperatures compared to structures responsible at room temperature.Subsequently, we tested electro-mechanically these structures, the latter showed significant piezoelectric coefficients in the frequency range of 1Hz to 100Hz and can cover all the resonance frequencies of the vibrations existing in our daily life.Studies were realized on the dielectric characterization by impedance spectroscopy of the uncharged structures. In addition, characterizations of the viscoelastic polymers by DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) to obtain the frequency behavior of their Young's modulus. The experimental results are analyzed in relation to the structural properties of the materials.A prototype was realized to study the feasibility of an accelerometer or an energy harvester with the obtained materials.