Réalisation de prototypes pour microsystèmes incluant des micro-transducteurs à base de polymère conducteur pour des applications dans la santé

Realization of prototypes for microsystems including conducting polymer-based micro-transducers for health care applications

• Auteur / Autrice : Lauréline Seurre
• Direction : Eric Cattan, Caroline Soyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustiques et télécommunications
• Date : Soutenance le 24/06/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Gaëlle Lissorgues
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Cattan, Caroline Soyer, France Le Bihan, François Tran-Van, Lionel Buchaillot, Alexandre Khaldi, Cédric Plesse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : France Le Bihan, François Tran-Van

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Transducteurs

Conducteurs organiques

Mots clés libres

Micro-Transducteurs

Polymères conducteurs électroniques

Micro-Fabrication

Micro-Transducers

Electronically conducting polymers

Micro-Fabrication

Résumé

Les polymères conducteurs électroniques (PCE) ont la capacité de se contracter et s’étendre de manière réversible en volume et/ou longueur en réponse à une stimulation extérieure, ce qui leur a valu le nom de « muscle artificiel ». Ces actionneurs peuvent également générer un signal électrique en réponse à une stimulation mécanique. Ils sont donc à la fois actionneurs et capteurs. Ces matériaux actifs représentent ainsi des candidats prometteurs pour le développement de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) souples. Cette thèse consiste à développer et caractériser des micro-transducteurs à base de PCE pour la réalisation de microsystèmes sur supports souples. Pour répondre aux besoins de certaines applications, telle que la micro-robotique pour la saisie d’un objet par un micromanipulateur, des microactionneurs, avant intégration, ont été caractérisés en terme de déformation et de force par l’application d’une tension continue. L’étude de la dynamique d’actionnement fournit des résultats cruciaux pour améliorer la compréhension du matériau, et permettre de modéliser son fonctionnement afin de réaliser ensuite un contrôle des micro-transducteurs adéquat pour l’application visée. Les techniques de micro-fabrication, telles que la photolithographie et la gravure sèche, ont été adaptées afin de mettre en forme les actionneurs à l’échelle submillimétrique pour l’élaboration de démonstrateurs sur support souple, incluant les contacts électriques. Le procédé de micro-fabrication mis au point permet la mise en forme des micro-transducteurs dans des configurations complexes. Les deux démonstrateurs élaborés sont : un micro-capteur multicanaux et un micromanipulateur incluant trois doigts et un poignet, afin de disposer dans le futur d’un retour haptique. Les effets induits par chacune des étapes du procédé d’intégration sont observés. En effet, chaque étape de micro-fabrication peut avoir un impact sur les matériaux présents sur la plaquette de silicium. Cette étude est particulièrement intéressante pour déterminer les potentiels impacts sur les microtransducteurs et de ce fait, sur leur capacité à assurer leur fonction d’actionneur et de capteur, qui est ensuite étudiée et comparée à celles des micro-transducteurs non intégrés.

Electronically conducting polymers (ECP) are able to reversibly expand and contract in shape/volume in response to an external stimulus, thus called “artificial muscles”. These actuators are also able to generate an electrical signal in response to a mechanical stimulation. Then, they are both actuators and sensors. These active materials represent thus promising candidates for the development of soft microelectromechanical systems (MEMS). This PhD thesis consists of the development and the characterization of ECP-based micro-transducers for the realization of soft microsystems. To meet the needs of some applications, such as micro-robotics for the seizure of an object by a micro-gripper, before integration, the microactuators are characterized in strain and blocking force under direct current voltage. The study of the actuation dynamics provide crucial results to improve the understanding of the material, and to model its operation in order to realize and adequate micro-transducer control for the targeted application. Micro-fabrication techniques, such as photolithography and dry etching, have been used to shape the micro-transducers at sub-millimeter scale for the elaboration of prototypes on flexible chip including the electrical contacts. The developed process allow shaping the micro-transducers in complex configurations. Two prototypes have been developed: a multichannel micro-sensor and a micro-gripper with three fingers (two as actuators, one as sensor) and a wrist (as actuator), to have a haptic feedback in the future. The process effects on the micro-transducers are observed. Indeed, each micro-fabrication step might have an impact on the materials present on the wafer. This study is particularly interesting to determine the potential impacts on the micro-transducers and thus on their ability to perform their actuator and sensor function, which is then studied and compared to those of non-integrated micro-transducers.