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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.
Figure 1 : Schéma (gauche) et photo (droite) d’une jauge de contrainte résistive à base de nanoparticules.auge de contrainte résistive à base de 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).

Figure 2 : Variation relative de résistance électrique en fonction de la déformation pour quatre jauges de contrainte à base de fils de nanoparticules d’or de 18nm d’épaisseurs différentes : M1, quatre couches ; M2, trois couches, M3, une monocouche. La ligne verte en pointillés représente la réponse d’une jauge de contrainte métallique conventionnelle avec un facteur de jauge G = 2. [Réf : C. Farcau, H. Moreira, B. Viallet, J. Grisolia, D. Ciuculescu-Pradines, C. Amiens et L. Ressier J. Phys. Chem. C 115 (30), 14494-14499 (2011)]

La résistance totale des assemblages de nanoparticules peut alors s’écrire grossièrement comme suit :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 ∆R/R0= A(egε -1) , 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).

Figure 3 : (a) Images optiques par SEM d'un capteur de contrainte capacitif à base de nanoparticules, (b) Résultats électromécaniques typiques en fonction de la taille des nanoparticules utilisées (7nm, 12nm et 14nm).
De plus, la démonstration qu’un simple circuit bas coût à base d’un microcontrôleur permet de réaliser les mesures sur ces jauges ouvre des perspectives prometteuses sur la faisabilité d’un setup entièrement sans fil. Notre modélisation est basée sur la mesure de la capacité Cij entre deux NPs et intégrée dans une matrice diélectrique de permittivité εr. Plusieurs modèles ont été proposés dans la littérature pour calculer Cij. Un bon modèle de départ est donné par Quinn’s et al basé sur des approximations où la capacité de jonction entre deux NPs peut être simplifiée par l’équation suivante :où l est la distance entre deux nanoparticules, r et d sont respectivement le rayon et le diamètre de la nanoparticule, ɛ0 est la permittivité du vide et ɛr est la permittivité relative des ligands. La capacité totale C de cette géométrie aux dimensions données peut être calculée en utilisant :où k est le facteur géométrique des électrodes interdigitées prenant en compte les capacités en série et en parallèle.La dérivée de la capacité totale conduit à la variation de la capacité relative en fonction de la déformation, du diamètre des NP et de la distance inter-nanoparticulaire :où e est la déformation appliquée au capteur, d est le diamètre de la particule et C est la capacité de jauge.Cela donne une expression analytique pour le facteur de jauge capacitif GFC de ces capteurs, défini par l’équation suivante :Cette modélisation montre que le facteur de jauge capacitif de ces jauges de contrainte capacitives est fonction de la taille des NP et des ligands.