DEVELOPPEMENT DE CAPTEURS ULTRASENSIBLES A BASE DE NANOPARTICULES
L’équipe Nanotech développe des capteurs à partir d’assemblées compactes de nanoparticules réalisées par dépôt convectif/capillaire, de type jauges de contrainte, capteurs d’humidité, capteurs de température. Ces capteurs peuvent aussi bien exploiter la partie résistive que la partie capacitive des assemblées de nanoparticules.
1 – Élaboration de capteurs résistifs à nanoparticules
Les figures suivantes présentent quelques résultats obtenus sur les jauges de contrainte à nanoparticules.
Ces capteurs ont une extrême sensibilité due à la variation exponentielle (effet tunnel) de leur résistance électrique en fonction de la déformation en comparaison avec les jauges de contrainte métalliques conventionnelles présentant une réponse linéaire (en vert).
La résistance totale des assemblages de nanoparticules peut alors s’écrire grossièrement comme suit :
R
Où est la constante de décroissance tunnel qui dépend essentiellement de la hauteur de la barrière, l est la distance entre les nanoparticules, est l’énergie de charge de Coulomb qui est liée à la capacité totale des assemblages de NP, k la constante de Boltzmann et T la température. Le transport d’électrons sur de tels assemblages de NP est donc fonction de la décroissance de l’effet tunnel et, plus intéressant encore, de l’énergie de charge EC. Un électron circulant à travers ces assemblages granulaires doit alors surmonter la longueur de la barrière tunnel l et également l’énergie de charge de Coulomb.
Toutes les courbes expérimentales ∆R/R0 en fonction de la déformation ε peuvent alors être bien ajustées à l’aide de l’équation , où A et g sont des constantes caractérisant la sensibilité des jauges de déformation à base de NP.
2 – Élaboration de capteurs capacitifs à nanoparticules
Forte de son expérience sur les jauges de contrainte résistives à nanoparticules, l’équipe Nanotech a étudié la possibilité d’élaborer des jauges de contrainte capacitives à nanoparticules.
Nous avons ainsi ensuite démontré que ces capteurs résistifs pouvaient également servir de capteurs capacitifs en tirant partie des propriétés isolantes des ligands entourant les nanoparticules, que l’on retrouve dans la partie capacitive C de l’assemblée.
Ils peuvent alors servir pour déployer des réseaux de capteurs communicants à grande échelle dans des systèmes embarqués où il est nécessaire d’avoir des capteurs sans fil et à faible consommation et forte sensibilité.
Grâce à un modèle analytique, le design des capteurs a été optimisé de façon à maximiser la capacité de la zone active constituée d’une assemblée monocouche de nanoparticules d’or réalisée par CSA, habituellement négligée dans la littérature car très faible.
Cette étude a montré qu’une zone active de 1mm2 adressée par des peignes inter digités permettait d’atteindre des capacités > 1pF exploitables. L’étude électromécanique de ces capteurs avec des nanoparticules d’or de 14nm a révélé une sensibilité 5 fois supérieure aux jauges capacitives conventionnelles (Figure 3).
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