Capteurs Piezo-électriques à base de NanoFils – PiezoSens

La fabrication dans les laboratoires de recherche permet aujourd'hui la construction de dispositifs piézoélectriques minces, sensibles, mécaniquement robustes et résistants, parfois flexibles, conformes ou même étirables. Ceci permet la miniaturisation de systèmes électromécaniques légers qui peuvent aller au-delà des dispositifs conventionnels. L'ambition du projet de PiezoSens est de développer des capteurs piézoélectriques basés sur des (nano-)fils (NFs) de GaN afin de permettre la cartographie de déplacements/déformations induites par une pression appliquée en surface. Une résolution multi-échelle sera explorée avec des points de pression dans la gamme du µm au cm dans le plan (x, y) et avec une sensibilité du nm en z pour des contacts légers (1 kPa).

Différentes architectures de capteurs piézoélectriques à base de fil seront évaluées en termes de performances et d'applications industrielles qui nécessitent une bonne résolution spatiale ou des propriétés flexibles, les deux avec une sensibilité élevée. Le choix des matériaux à base de nitrure réside dans leurs propriétés intrinsèques - les forts coefficients piezoélectriques, mais aussi la haute stabilité thermique et chimique- permettant de les introduire dans des dispositifs réels et de fournir de nouvelles fonctionnalités en termes de flexibilité et de fonctions. Pour atteindre cet objectif, nous proposons de tirer parti de la morphologie spécifique des NFs produits par épitaxie par jets moléculaires (MBE) et par l'épitaxie d’organométalliques en phase vapeur (MOVPE).

Pour la MBE, les NF GaN sont caractérisés par une forte densité (jusqu'à 10^10 NF/cm2) avec une longueur de 1-2 µm et un diamètre de 30-80 nm. Ces nanostructures sont intégrées dans une matrice déformable sur un substrat rigide structuré par des lignes de contact allant jusqu’à 1 µm de largeur. Le capteur peut être extrêmement sensible à la déformation et offrir une résolution allant de 500 à 10000 dpi. Cela ouvre la voie vers la reconnaissance de surface et l'authentification biométrique. Pour la MOVPE, les fils GaN sont caractérisés par une grande longueur (<700 µm) et un diamètre d’environ 1µm, ce qui leur confère un grand rapport d’aspect et une forte flexibilité. En raison de leur diamètre relativement important, les fils MOCVD GaN n’adresseront pas des résolutions spatiales extrêmes, mais leur flexibilité sera exploitée pour la détection et la localisation de déformations dans des systèmes complètement déformables : une utilisation originale de ces matériaux peut être de les transférer sur des substrats flexibles et adaptables. Ce type de nouveau dispositif, qui est également très sensible à la déformation, peut répondre à des besoins où une grande surface de détection et une bonne flexibilité mécanique sont nécessaires.

Le développement de l'électronique de mesure pour l'interfaçage avec les NF est également un objectif clé de ce projet qui est lié à la fois aux principes de fonctionnement des capteurs à NFs et aux applications ciblées. En effet, de tels matériaux sont directement activés par la pression et délivrent des charges lors de la déformation, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les systèmes à faible consommation. Cela nécessite le développement d'une électronique dédiée, capable d'adresser, de lire et de reconstruire des signaux transitoires distribués sur une surface et de traiter des signaux électriques en temps réel.

Le projet PiezoSens validera les architectures de capteurs piézoélectriques efficaces basées sur des fils de GaN avec différentes résolutions et conformations latérales (rigides et flexibles). Cette évaluation sera réalisée avec deux générations de démonstrateurs complets avec leur électronique de mesure adaptée. Elle permettra de déterminer toutes les barrières techniques à surmonter, les processus technologiques nécessaires pour obtenir de bonnes performances par rapport à l'état de l'art des capteurs et enfin d'identifier un marché pour de tels produits.