Thèse : Transducteurs à base de polymères conducteurs : Fabrication, Caractérisation et Modélisation
NGUYEN Ngoc Tan
Soutenance de thèse
21/09/2018
Amphithéâtre IEMN
Résumé :
Ces dernières années, les actionneurs à base de polymères conducteurs ioniques (poly (3,4-éthylènedioxythiophène : PEDOT) ultraminces ont surmonté un certain nombre d’obstacles en terme d’intégration qui ont permis d’accroître les applications potentielles dans les dispositifs de type microsystèmes. Une micro-fabrication sans aucune manipulation manuelle de ces actionneurs à tri-couches a été démontrée. Cependant les performances mécaniques de ces actionneurs étaient limitées pour une éventuelle utilisation dans un microsystème.
Le but de cette thèse a été d’optimiser la fabrication des transducteurs en couches minces, de caractériser complètement leurs propriétés électrochimiques, mécaniques et électromécaniques et de développer un modèle pour simuler leur capacité électromécanique bidirectionnelle d’actionnement et de détection.
Dans un premier temps, des actionneurs ultra-minces à base de PEDOT sont fabriqués par polymérisation en phase vapeur de 3,4-éthylènedioxythiophène associée à un procédé de synthèse couche par couche. La déformation en flexion et la force générées par ces actionneurs ont été mesurées et ont atteint respectivement 1% et 12 μN. Ceci constitue la première caractérisation de micro actionneurs ioniques à base de PEDOT fonctionnant dans l’air d’une épaisseur aussi faible (17 μm). Il a été observé que la méthode de fabrication utilisée induisait une dissymétrie des états de surface de chacune des électrodes.
Dans un second temps, les propriétés électriques, électrochimiques et mécaniques des micro actionneurs résultants ont été caractérisées. Celles-ci incluent : la conductivité électrique et la capacité volumétrique, le rapport empirique déformation/charge et le module d’Young de l’actionneur en fonction de l’état de charge de l’électrode PEDOT. La conductivité ionique des électrodes de PEDOT et de la matrice support d’électrolyte, le taux d’amortissement et la déformation linéaire de l’actionneur tri-couche ont également été mesurés.
Dans un troisième temps, un modèle multi-physique non linéaire a été proposé afin de prédire les réponses en mode actionneur et en mode capteur dans ces tri-couches. Ce modèle non linéaire est constitué d’un sous-système électrique représenté par un circuit équivalent RC, d’une matrice de couplage électromécanique et d’un sous-système mécanique décrit en utilisant une méthode d’éléments finis rigides. Le modèle proposé a été représenté en utilisant un formalisme Bond Graph et a utilisé l’ensemble des paramètres caractérisés. La concordance entre les simulations et les mesures a confirmé la précision du modèle dans la prédiction de la réponse électrochimique dynamique et mécanique non linéaire des actionneurs. En outre, les informations extraites du modèle ont également fourni un aperçu des paramètres critiques des actionneurs et de leur incidence sur l’efficacité de l’actionneur, ainsi que sur la distribution de l’énergie : l’énergie dissipée, stockée et transférée. Ce sont les paramètres clés pour concevoir, optimiser et contrôler le comportement d’actionnement d’un actionneur tri-couche.
Enfin, un modèle linéaire électromécanique bidirectionnel a été introduit pour simuler la capacité de détection du transducteur. La simulation correspond de manière cohérente aux résultats expérimentaux dans les domaines de fréquence et de temps d’un déplacement d’entrée sinusoïdal
Les modèles proposés sont prometteurs pour la conception, l’optimisation et le contrôle de futurs dispositifs microsystèmes souples pour lesquels l’utilisation de transducteurs en polymère devrait être essentielle.
JURY :
– M. Alejandro A. FRANCO, Professeur des Universités, UPJV/ CNRS UMR 7314, Amiens.
– M. Herbert SHEA, Professeur l’Université de EPFL, Neuchâtel.
– M. Edmond CRETU, Professeur de l’Université de Colombie Britannique, Vancouver
– M. Mu CHIAO, Professeur de l’Université de Colombie Britannique, Vancouver
– Mme. Ludivine FADEL, Professeur des Universités, IMS UMR 5218, Talence
– M. Éric CATTAN, Professeur des Universités, UPHF / IEMN, Valenciennes
– M. Sébastien GRONDEL, Professeur des Universités, UPHF / IEMN, Valenciennes
– M. John D.W. MADDEN, Professeur de l’Université de la Colombie Britannique, Vancouver
– M. Cédric PLESSE, Maître de conférences HDR, LPPI, Cergy Pontoise, Invité
