Intégration d'actionneurs à base de polymères conducteurs électroniques pour des applications aux microsystèmes

par Alexandre Khaldi

Thèse de doctorat en Electronique. Micro et nano technologie

Sous la direction de Eric Cattan et de Frédéric Vidal.

Soutenue le 23-02-2012

à Valenciennes , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) (laboratoire) et de Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES)) .

Le président du jury était Min Hui Li.

Le jury était composé de Eric Cattan, Frédéric Vidal, Christian. Bergaud, John D.W. Madden, Emmanuel Defaÿ, Cédric Plesse, Guylaine Poulin.

Les rapporteurs étaient Christian. Bergaud, John D.W. Madden.


  • Résumé

    L’objectif de ce travail est la réalisation de nouveaux microactionneurs à base depolymère conducteur électronique pouvant être envisagés pour une application denanodrone à ailes battantes.Deux réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) POE/PTHF (poly(oxyded’éthylène)/polytétrahydrofurane) et POE/NBR (poly(oxyde d’éthylène/Nitrile Butadiene Rubber) ont été synthétisés et caractérisés. Par le contrôle de la synthèse de ces RIPs,une co-continuité de phase des deux réseaux partenaires a pu être obtenue. Ce travail a ainsi permis l’obtention de matériaux combinant les propriétés propres de chaque réseau, une bonne conductivité ionique (POE) et de bonnes propriétés mécaniques (PTHF et NBR). Les propriétés mécaniques du matériau ont permis de réaliser des matériaux polymères support d’électrolyte manipulables avec des épaisseurs inférieures à 10 μm.Des RIPs conducteurs ont pu être élaborés à partir de ces matériaux en incorporant le polymère conducteur électronique (poly(3,4-éthylènedioxythiophène) - PEDOT), par une dispersion non homogène à partir de la surface vers l’intérieur du film. Après incorporation d’un liquide ionique (le 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis-(trifluorométhylsulfonyl)imide ou EMImTFSI), ces matériaux électroactifs ont été caractérisés et ont montré qu’ils pouvaient actionner à des fréquences élevées (100Hz) par rapport aux autres dispositifs de ce type.La mise en forme micrométrique de ces matériaux a ensuite été réalisée par un procédé propre aux microsystèmes. Les techniques de photolithographie et de gravure ionique réactive ont été adaptées et étudiées pour l’élaboration de ces microactionneurs. Un mécanisme de dégradation chimique du matériau a été proposé afin d’expliquer l’étape de gravure. Enfin, la caractérisation des microactionneurs a ensuite aussi été réalisée.La force développée par ces microactionneurs est de l’ordre du μN et le pourcentage de déformation est de 1,8 %.


  • Résumé

    The aim of this work is the realization of new microactuators based on electronicconducting polymer (ECP) for a flapping wing nano-aerial vehicle.Two Interpenetrating Polymer Networks (IPNs) PEO/PTHF(polyethyleneoxide/polytetrahydrofurane) and PEO/NBR (polyethyleneoxide/NitrileButadiene Rubber) were synthesized and characterized. By controlling the synthesis of these IPNs, a phase co-continuity of the two networks could be obtained. This work has enabled the production of materials combining the specific properties of each network, good ionic conductivity (PEO) and good mechanical properties (PTHF and NBR). The mechanical properties of the material allowed the synthesis of solid polymer electrolyte materials that can be elaborated and manipulated with thicknesses below 10 microns.The conducting IPNs are synthesized from previous IPNs in which the conductingpolymer (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT, is non homogeneously dispersed i.e. the content decreases from the outside towards the center of the film.After incorporation of an ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide or EMImTFSI), these electroactive materials werecharacterized and showed their capacity to operate at frequency high frequency (100 Hz) compared to others systems in literature.The micrometer shaping of these materials was then carried out by processes specific to microsystems. Photolithography techniques and Reactive Ion Etching (RIE) have been adapted and designed for the development of microactuators. A chemical degradation mechanism of the material has been proposed to explain the etching step. Finally, the characterization of microactuators have been carried out. The force developed by these microactuators is in the range of N and the bending strain has reached 1.8%.


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