Conception et modélisation d'un micro-actionneur à base d'élastomère diélectrique

par Sofiane Soulimane

Thèse de doctorat en Matériaux, technologie et composants de l'électronique

Sous la direction de Henri Camon.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les matériaux polymères, en particulier les EAP (Electro Active Polymer), sont de bons candidats pour le développement d'actionneurs de nouvelle génération, en particulier par leurs propriétés mécaniques et électriques. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au cours de cette thèse aux actionneurs polymères à base d'élastomère diélectrique et à leur intégration technologique. Le principe de fonctionnement de ce type d'actionneur est basé sur l'attraction électrostatique entre deux électrodes qui prennent en sandwich l'élastomère qui jouera à la fois le rôle d'entrefer de permittivité relative supérieure à un et de ressort de rappel par ses propriétés élastiques. Les forces d'attraction sont proportionnelles à la constante diélectrique de l'élastomère et inversement proportionnel au module de Young de ce dernier. Notre choix s'est porté sur les polydiméthylesiloxanes (PDMS), matériaux à la fois très souple et pour lesquels une augmentation de la permittivité peut être obtenue par l'addition de nanoparticules. Un procédé original de structuration des couches de " PDMS " sur une plaquette de silicium a été développé. Nous avons formulé ce polymère avec un composant photo-actif pour le rendre photosensible afin de pouvoir l'utiliser à l'image d'une résine lithographique conventionnelle et d'envisager la structuration dans un enchaînement de fabrication compatible avec les technologies microsystèmes. Par ailleurs une caractérisation exhaustive nous a permis de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques impliqués lors des différentes étapes technologiques de réalisation aussi bien pour le matériau seul qu'additionné de nanoparticules de titanate de baryum. Nous nous sommes également attachés à mesurer la permittivité et les coefficients d'élasticité de ces matériaux à la fin du processus de fabrication vérifiant ainsi le maintien des propriétés initiales qui ont présidées au choix de ces matériaux. Des actionneurs miniaturisés constitués d'une électrode inférieure fixe, d'une couche de PDMS structurée et d'une électrode supérieure libre ont ainsi été fabriqués, caractérisés et modélisés par élément finis à l'aide du logiciel Comsol. Nous avons utilisé des modèles hyper élastiques pour les confronter aux résultats obtenus. Il en ressort que si l'utilisation des dépôts de couches métalliques a permis de fabriquer des structures, la déformation maximale de l'actionneur est limitée néanmoins par l'élasticité de l'électrode métallique. Les résultats nous permettent d'envisager, pour les applications à l'optique, la réalisation de structures à focale variable dont deux exemples sont donnés en perspective.

  • Titre traduit

    Dielectric elastomer micro-actuator : conception and modelling


  • Résumé

    Polymer materials have been proposed to be good candidates for the development of new actuators. Due to their tunable mechanical and electrical properties, they can be used as electro-active devices. In this manuscript, we focus on dielectric elastomers based actuators, and word toward establishing innovative and alternative integration/miniaturization processes inspired from microelectronics and MEMS technology. Dielectric elastomer actuators are made of an elastomer dielectric layer sandwiched between two conductive electrodes. Upon voltage application attraction forces between the electrodes generates a mechanical displacement correlated with the elastomer Young modulus and permittivity. After a complete review of polymer materials as electro-active actuators, we propose to use the polydimethylesiloxane (PDMS) due to its high elasticity and its permittivity made adjustable by addition of ceramic nanoparticles. A original process for structuring PDMS layers is developed to overcomes the technological challenges encountered during the integration of such materials in a micro-actuator. In addition, several method of characterization allowed us to better understand the physicochemical mechanisms involved at different technological steps for both the material alone or mixed with Titanate of Baryum nanoparticles. We also measured the permittivity and the elasticity modulus of these materials at the end of the manufacturing process thereby verifying the concervation and the enhancement of the initial properties that set our choice. In parallel the response of our actuator is analyzed quantitatively by implementing a finite element model with the Comsol software, and by modeling the elastomer response with hyper elastic models. We show excellent correlation between the model and experimental deformations. Moreover, we determine that the thinness, hence the deformability, of the upper electrode guaranties high performances to the manufactured micro-actuator, and we conduct preliminary tests with a compliant electrode obtained with the PEDOT-PSS conductive polymer.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (132 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 123-124

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 TOU3 0138
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