DS0303 - Matériaux et procédés

Microsystème incluant des transducteurs à base de réseaux Interpénétrés de Polymères – MicroTIP

Microsystème incluant des transducteurs à base de réseaux Interpénétrés de Polymères

Transducteurs polymères de nouvelle génération pour des applications en microrobotique

Intégrer pour la première fois dans un microsystème souple un actionneur polymère

Les objectifs du projet et les critères d’évaluation sont: <br />• Réaliser un actionneur sans incorporation d’un électrolyte exogène. L’électrolyte choisi sera déjà greffé sur le PSE conduisant à un actionneur ionique deuxième génération, sans équivalent dans la littérature. <br />• Déterminer la sensibilité du mode capteur des RIP-conducteurs de première et deuxième générations en fonction de la géométrie des matériaux et en particulier de leur épaisseur et chercher à la maximiser. <br /> • Evaluer le comportement en fatigue de ces matériaux et mener des études systématiques de répétabilité. Trouver des solutions pour améliorer ces caractéristiques si besoin. • Modéliser le matériau sous forme de circuit équivalent prenant en compte la conduction ionique et la conversion électromécanique, et réaliser un modèle numérique qui prendra en compte l’aspect grand déplacement. • Combiner les RIP-conducteurs avec des supports en polymères tels que la SU-8 et le PDMS. <br /> • Faire les reports d’électrodes en fonction des démonstrateurs, concevoir et réaliser la partie mécanique des démonstrateurs. <br /> • Acquérir et traiter les signaux des micro-actionneurs pour commander les démonstrateurs en boucle fermée. • Réaliser un micromanipulateur en combinant de préférence un support souple, plusieurs actionneurs pour produire le mouvement d’un coude, trois doigts servant à attraper un objet, et les pistes de contact associées de préférence à retour d’effort avec une zone de détection de contact avec l’objet. • Fabriquer un prototype de topographie de surface appliquée à la caractérisation et au suivi de la propagation de fissures au sein d’un matériau à partir d’un jeu de poutres de RIP-conducteur en parallèle, de préférence sur support souple, associées ou pas à des apex en silicium avec son électronique de traitement du signal.

L'approche est divisée en quatre tâches interconnectées.

• La premier consiste à développer les micro-actionneurs (première génération: liquide ionique exogène) pour produire un IPN conducteur qui ne nécessite pas l'incorporation d'un liquide ionique (liquide ionique greffé: de deuxième génération). Cette étape concernera également la caractérisation de ces micro-transducteurs de première et de deuxième génération: la comparaison des forces en conjonction avec la géométrie, la sensibilité de la fonction du capteur et le comportement à la fatigue.
• La second traite de la modélisation de ce type de matériel, qui est à ses débuts au niveau international, et qui permettra de prévoir le comportement de l'actionneur.
• La troisième concerne les étapes technologiques nécessaires au développement des démonstrateurs, en particulier la compatibilité de la fabrication des transducteurs avec des polymères structuraux tels que SU-8 et PDMS, l'association avec des électrodes métalliques pour l'extraction ou le contrôle du signal.
• La quatrième sera consacré à la mise en œuvre de l'électronique et à l'évaluation des performances des démonstrateurs.

LPPI :
-Fabrication aisée d’un microactionneur « ionique » à base de PEDOT/PSS. L’élaboration ne sera plus réservée aux chimistes seuls, mais sera accessible aux communautés des biologistes et physiciens, compte tenu de la simplicité du processus d’élaboration.
-Synthèse du premier actionneur à base de polymères liquides ioniques. A notre connaissance un actionneur présentant une architecture similaire n’a jusqu’à présent pas fait l’objet de publications.

IEMN :
-L’intégration de micropoutres sur un support souple de SU-8 a été réalisé en intégrant des contacts électriques de report. Ce travail est complétement original et devrait faire l’objet d’une publication d’ici quatre mois.
-Nous disposons d’un modèle multiphysique innovant de l’actionneur basé sur une modélisation Bond graph par différences finies qui nous permet de simuler le comportement de l’actionneur dans le domaine temporel et spatial ainsi que d’analyser le rendement énergétique

LISV :
-Les 2 cartes électroniques capteur / actionneur sont commandées avec des solutions reposant sur des systèmes embarqués. Le fait que cette solution soit dédiée sera un avantage lorsqu’il s’agira de commander plusieurs actionneurs à la fois (que ce soit pour le micro-préhenseur ou la structure peigne pour la topographie de surface)
-Des premiers modèles analytiques de la tension mesurée en fonction de la déformation ont été proposés (une publication est en préparation à ce sujet). Ceux-ci sont des modèles macro (en complément de ceux obtenus par éléments finis à l’IEMN) qui s’avèreront utiles lors de la commande des polymères.

La principale perspective est d'obtenir un matériau actionneur et capteur qui peut s'intégre facilement dans une microstructure . Un matériau dont la modélisation permettra de prévoir son comportement . Un matériau qui intégrera des dispositifs utilisables rapidement dans la vie de tous les jours.

1. M. Bentefrit, C. Soyer, S. Grondel, E. Cattan, J.D. Madden, A. Fannir, T. Minh Giao Nguyen, C. Plesse, F. Vidal
Soumis à smart material and structure
2.Tan Nguyen Ngoc, Kätlin Rohtlaid, Cédric Plesse, Caroline Soyer, Sébastien Grondel, Eric Cattan, John D. W. Madden, Frédéric Vidal
Soumis à sensors and actuators A

1. (Proceeding), T. A. Nguyen; L. Chassagne; B. Cagneau; A. Fannir; K. Rohtlaid; T. M. G. Nguyen; C. Plesse; F. Vidal; C. -J. Peng; S. -J. Chen 2016 IEEE SENSORS, 2016, pages 1 - 3,
2. (Poster), Ngoc Tan Nguyen, Mohamed Bentefrit, Cédric Plesse, Frédéric Vidal, Caroline Soyer, Eric Cattan, John Madden, Sébastien Grondel, EuroEAP 2016 6th international conference on Electromechanically Active Polymer (EAP) transducers & artificial muscles, 14-15 Juin 2016, Helsingør, Denmark
3. (Poster) , Tien Anh Nguyen, Chia-Ju Peng, Luc Chassagne, Adelyne Fannir, Kätlin Rohtlaid, Tran Minh Giao Nguyen, Cedric Plesse, Frédéric Vidal, Shih-Jui Chen, Barthélemy Cagneau, EuroEAP 2016 6th14-15 Juin 2016, Helsingør, Denmark
4. (Poster) , Kätlin Rohtlaid, Frédéric Vidal, Cédric Plesse, Tran Minh Giao Nguyen, Eric Cattan, Caroline Soyer, EuroEAP 2016 6th international conference on Electromechanically Active Polymer (EAP) transducers & artificial muscles, 14-15 Juin 2016, Helsingør, Denmark
5. (Proceeding) C.J. Peng, T.A. Nguyen, K Rohtlaid, C. Plesse, S.J. Chen, L. Chassagne et B. Cagneau. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. Mai 2017
6. (Oral) Design of high-frequency ultrathin trilayer conducting polymer microactuators, Saeedeh Ebrahimi Takalloo; Katlin Rohtlaid, Ngoc Tan Nguyen, Cédric Plesse, Frédéric Vidal, Eric Cattan, John D. W. Madden, SPIE Smart Structures/NDE 25 - 29 March 2017.
7. (Oral) Microfabricated PEDOT trilayer actuators: synthesis, characterization, and modeling, Ngoc Tan Nguyen, Cédric Plesse, Frédéric Vidal, Caroline Soyer, Sébastien Grondel, John D. W. Madden, Eric Cattan SPIE Smart Structures/NDE 25 - 29 March 2017.

Les recherches et développements sur les composants électroniques compatibles avec des supports souples font actuellement émerger des produits avec de nouvelles fonctionnalités et conduisent à créer de nouveaux marchés. Cependant, les recherches concernant l’intégration de micro-transducteurs compatibles et performants sur ces supports sont peu nombreuses au niveau national et international. Les micro-transducteurs classiques ne sont pas adaptés à ces nouveaux supports car ils sont rigides et les températures requises de fabrication sont trop élevées. Cette situation laisse donc une porte ouverte aux développements de polymères électroactifs fonctionnant comme actionneur ou comme capteur pour la réalisation de microsystèmes sur support souple.
Ce projet cherche à valoriser ces matériaux, considérés dans la littérature comme des muscles artificiels, dans le domaine des microsystèmes par la réalisation de deux démonstrateurs qui exploitent les avantages des matériaux polymères ioniques. La particularité de ces matériaux est qu’ils sont légers, peu coûteux, pliables, ils peuvent être configurés dans des formes complexes et leurs propriétés peuvent aussi être adaptées à la demande, ils sont capables de produire de grandes déformations en flexion, sont actionnés avec des tensions basses (1-5V) sous air ou sous vide, et sont biocompatibles. Micro-TIP s’appuie d’une part sur un réseau de polymères interpénétrés (RIP) parfaitement maitrisé (première génération) et pour lequel des étapes d’intégration aux microsystèmes ont été validées, et d’autre part sur la création d’un nouveau matériau (deuxième génération) impliquant un électrolyte solide apportant sans conteste un saut technologique. Ce dernier sera élaboré, caractérisé et devra faire la preuve de son intégration possible dans une technologie de microfabrication. Les performances attendues seront au minimum équivalentes à celles obtenues pour le matériau de première génération. Dans Micro-TIP, nous souhaitons aussi innover sur un deuxième axe en mettant en avant les facultés de détection de ces matériaux mises en évidence sur des matériaux macroscopiques de première génération. Il s’agit là d’un domaine très peu étudié à l’international. De plus, les chercheurs impliqués dans Micro-TIP pensent que ces transducteurs auront la capacité à mieux s’adapter à des supports souples (en prévision d’une électronique souple) que d’autres types de transducteurs, et se lancent donc le défi dans ce projet de réaliser leurs démonstrateurs en privilégiant des supports souples ou semi-souples et une technologie adaptée. Un travail de modélisation original (principalement du mode actionneur) est aussi proposé afin de disposer d’une évaluation préalable des comportements de nos démonstrateurs. Ils seront fabriqués à l’aide de technologies simples faiblement "énergivores" et de préférence à bas coût. Les démonstrateurs proposés prennent en compte les facultés d’actionnement et de détection de ces matériaux dans des mécanismes complexes, opérant sous air ou sous vide, en incluant l’électronique de commande et de traitement du signal. Le premier sera un micromanipulateur à retour d’efforts pour la manipulation en environnement contraint appliquée, par exemple, au positionnement précis de composants optiques sur MEMS pour les instrumenter. Le deuxième sera appliqué à l’étude de l’endommagement et de la rupture de matériaux à l’aide d’un peigne détecteur novateur. Le souhait de Micro-TIP est de disposer en fin de projet de dispositifs suffisamment aboutis pour sensibiliser les industriels du domaine de la micro-robotique, du spatial, du biomédical… aux capacités de ces micro-muscles artificiels.
L’association du LPPI, de l’IEMN et du LISV permet d’envisager sereinement la réalisation de tels microsystèmes à base de RIP. En effet cette association permet de maîtriser toute la chaîne de conception: synthèse matériau, microfabrication et caractérisation des microsystèmes, conception des démonstrateurs.



Coordinateur du projet

Monsieur Eric Cattan (Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LISV- EA4048 Laboratoire d’ingénierie des systèmes de Versailles
IEMN- UMR8520 Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie
LPPI Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces

Aide de l'ANR 412 164 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 48 Mois

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