Fabrication et caractérisation de capteurs de déformation flexibles à base d’assemblage de nanoparticules d'or greffées sur des nanostructures 1D

Fabrication and characterization of flexible strain sensors based on 1D nanostructures with cross-linked gold nanoparticles

• Auteur / Autrice : Aarushee Rangra
• Direction : Christian Bergaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Morancho
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Bergaud, Lionel Buchaillot, Lionel Rousseau, Reiko Oda, Marie-Hélène Delville, Fabrice Severac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Buchaillot, Lionel Rousseau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Nanostructures

Micro-fabrication

Mots clés libres

Microfabrication

Nanostructures

Capteurs souples

Microfabrication

Nanostructures

Flexible sensors

Résumé

Les capteurs de déformation flexibles sont associés à la croissance rapide de la robotique souple et des équipements portables. Au cours des dernières années, un grand nombre de nouveaux dispositifs basés sur ces capteurs flexibles ont été introduits pour être utilisés dans les domaines de la santé et des interactions homme-machine, entre autres. En général, les capteurs flexibles ont d'excellentes propriétés mécaniques et électriques, telles qu'une sensibilité élevée, une haute résolution et une réponse rapide, mais ils manquent souvent de stabilité et de durabilité. Les dispositifs de déformation flexibles se composent généralement d'éléments actifs tels que des nanoparticules ou des nanofils et d'un substrat souple. Parmi les matériaux de détection utilisés, les nanomatériaux 1D présentent des avantages uniques en raison de leurs caractéristiques structurelles inhérentes, c'est-à-dire le rapport surface/volume important qui permet d'améliorer les propriétés mécaniques et électriques. Dans cette thèse, des nanoparticules d'or (AuNP) fonctionnalisées avec le ligand MPA (acide 3-Mercaptopropionique) et greffées de manière covalente sur des nanostructures hélicoïdales de silice par une liaison amide, sont utilisées comme élément actif de détection. Ces matériaux sont désignés sous le nom de nanostructures hélicoïdales (HNS). Grâce à leur morphologie hélicoïdale, proche de celle d’un ressort mécanique, des capteurs de déformation très stables et très sensibles ont été fabriqués.Pour améliorer les performances des capteurs de déformation, les HNS sont alignées de manière unidirectionnelle et déposées avec précision sur des électrodes interdigitées par diélectrophorèse (DEP). La résistance électrique des capteurs peut être modulée en effectuant des dépôts DEP en plusieurs étapes. Les capteurs sont ensuite encapsulés avec un film mince isolant pour protéger les matériaux actifs de la poussière et de l'humidité. La caractérisation mécanique a été réalisée à l'aide d'un banc d'essai mécanique en flexion trois points. De plus, des tests d'humidité et de température ont été réalisés. Les résultats obtenus montrent une grande stabilité des capteurs de contrainte lorsqu'ils sont encapsulés.Les capteurs de contrainte HNS peuvent mesurer des contraintes aussi faibles que 0,01% avec un facteur de jauge allant jusqu'à 80. Ils sont très stables (variation de moins de quelques % sur 2 millions de cycles à 1% de déformation) et ne présentent aucune hystérésis. Ils ont été utilisés avec succès pour effectuer des mesures permettant de détecter le mouvement des doigts et du poignet ou encore la surveillance du rythme cardiaque. Ces caractéristiques remarquables rendent ces dispositifs HNS particulièrement intéressants pour les écrans tactiles, la détection de mouvements pour la robotique haptique ou encore la mesure de signaux biologiques sur le corps humain.

Flexible strain devices are associated with the rapid growth of soft robotics and wearable equipment. Over last few years, a large number of new devices based on flexible strain sensors have been introduced for use in healthcare fields, and human-computer interactions among others. Usually, flexible sensors have excellent mechanical and electrical properties, such as high sensitivity, high-resolution and rapid response but they often lack stability and durability. Flexible sensing devices typically consist of active elements such as nanoparticles or nanowires and a soft substrate. Among the sensing materials used, 1D nanomaterials exhibit unique benefits due to their inherent structural characteristics i.e. the large surface to volume ration resulting in enhanced mechanical and electrical properties. In this thesis, gold nanoparticles (AuNP) functionalized with MPA (3-Mercaptopropionic acid) ligand and covalently grafted onto silica helical nanostructures by an amide bond, are used as the sensing active element. These materials are referred to as Helical Nanostructures (HNS). Thanks to their helical morphology, mimicking a mechanical spring, highly stable and very sensitive strain sensors have been fabricated.To enhance the performances of the strain sensors, the HNS are unidirectionally aligned and precisely deposited on interdigitated electrodes using dielectrophoresis (DEP). The electrical resistance of the sensors can be tuned using a multiple step DEP deposition. The sensors are then encapsulated with an insulating thin film to protect the active materials from dust and moisture. Mechanical characterization has been carried out using a three-point bending mechanical test bench. Further, humidity and temperature tests have been performed. The obtained results show a high stability of the strain sensors when they are encapsulated.The HNS strain sensors can measure strain as low as 0.01% with a gauge factor up to 80. They are very stable (variation of less than a few % over 2 million cycles at 1% strain) and show no hysteresis. They were successfully used for performing biological signal measurements like finger bending and lifting, wrist clutching and cardiac pulse monitoring. These striking features make these HNS devices of particular interest for touch-sensitive screens, human motion detection or human pulse monitoring.