Réalisation de prototypes pour microsystèmes incluant des micro-transducteurs à base de polymère conducteur pour des applications dans la santé

Thèse sous embargo de l'auteure jusqu'au 24-12-2021.Electronically conducting polymers (ECP) are able to reversibly expand and contract in shape/volume in response to an external stimulus, thus called “artificial muscles”. These actuators are also able to generate an electrical signal in response to a mechanical stimulation. Then, they are both actuators and sensors. These active materials represent thus promising candidates for the development of soft microelectromechanical systems (MEMS). This PhD thesis consists of the development and the characterization of ECP-based micro-transducers for the realization of soft microsystems. To meet the needs of some applications, such as micro-robotics for the seizure of an object by a micro-gripper, before integration, the microactuators are characterized in strain and blocking force under direct current voltage. The study of the actuation dynamics provide crucial results to improve the understanding of the material, and to model its operation in order to realize and adequate micro-transducer control for the targeted application. Micro-fabrication techniques, such as photolithography and dry etching, have been used to shape the micro-transducers at sub-millimeter scale for the elaboration of prototypes on flexible chip including the electrical contacts. The developed process allow shaping the micro-transducers in complex configurations. Two prototypes have been developed: a multichannel micro-sensor and a micro-gripper with three fingers (two as actuators, one as sensor) and a wrist (as actuator), to have a haptic feedback in the future. The process effects on the micro-transducers are observed. Indeed, each micro-fabrication step might have an impact on the materials present on the wafer. This study is particularly interesting to determine the potential impacts on the micro-transducers and thus on their ability to perform their actuator and sensor function, which is then studied and compared to those of non-integrated micro-transducers.Les polymères conducteurs électroniques (PCE) ont la capacité de se contracter et s’étendre de manière réversible en volume et/ou longueur en réponse à une stimulation extérieure, ce qui leur a valu le nom de « muscle artificiel ». Ces actionneurs peuvent également générer un signal électrique en réponse à une stimulation mécanique. Ils sont donc à la fois actionneurs et capteurs. Ces matériaux actifs représentent ainsi des candidats prometteurs pour le développement de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) souples. Cette thèse consiste à développer et caractériser des micro-transducteurs à base de PCE pour la réalisation de microsystèmes sur supports souples. Pour répondre aux besoins de certaines applications, telle que la micro-robotique pour la saisie d’un objet par un micromanipulateur, des microactionneurs, avant intégration, ont été caractérisés en terme de déformation et de force par l’application d’une tension continue. L’étude de la dynamique d’actionnement fournit des résultats cruciaux pour améliorer la compréhension du matériau, et permettre de modéliser son fonctionnement afin de réaliser ensuite un contrôle des micro-transducteurs adéquat pour l’application visée. Les techniques de micro-fabrication, telles que la photolithographie et la gravure sèche, ont été adaptées afin de mettre en forme les actionneurs à l’échelle submillimétrique pour l’élaboration de démonstrateurs sur support souple, incluant les contacts électriques. Le procédé de micro-fabrication mis au point permet la mise en forme des micro-transducteurs dans des configurations complexes. Les deux démonstrateurs élaborés sont : un micro-capteur multicanaux et un micromanipulateur incluant trois doigts et un poignet, afin de disposer dans le futur d’un retour haptique. Les effets induits par chacune des étapes du procédé d’intégration sont observés. En effet, chaque étape de micro-fabrication peut avoir un impact sur les matériaux présents sur la plaquette de silicium. Cette étude est particulièrement intéressante pour déterminer les potentiels impacts sur les microtransducteurs et de ce fait, sur leur capacité à assurer leur fonction d’actionneur et de capteur, qui est ensuite étudiée et comparée à celles des micro-transducteurs non intégrés

Realization of prototypes for microsystems including conducting polymer-based micro-transducers for health care applications

Les polymères conducteurs électroniques (PCE) ont la capacité de se contracter et s’étendre de manière réversible en volume et/ou longueur en réponse à une stimulation extérieure, ce qui leur a valu le nom de « muscle artificiel ». Ces actionneurs peuvent également générer un signal électrique en réponse à une stimulation mécanique. Ils sont donc à la fois actionneurs et capteurs. Ces matériaux actifs représentent ainsi des candidats prometteurs pour le développement de systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) souples. Cette thèse consiste à développer et caractériser des micro-transducteurs à base de PCE pour la réalisation de microsystèmes sur supports souples. Pour répondre aux besoins de certaines applications, telle que la micro-robotique pour la saisie d’un objet par un micromanipulateur, des microactionneurs, avant intégration, ont été caractérisés en terme de déformation et de force par l’application d’une tension continue. L’étude de la dynamique d’actionnement fournit des résultats cruciaux pour améliorer la compréhension du matériau, et permettre de modéliser son fonctionnement afin de réaliser ensuite un contrôle des micro-transducteurs adéquat pour l’application visée. Les techniques de micro-fabrication, telles que la photolithographie et la gravure sèche, ont été adaptées afin de mettre en forme les actionneurs à l’échelle submillimétrique pour l’élaboration de démonstrateurs sur support souple, incluant les contacts électriques. Le procédé de micro-fabrication mis au point permet la mise en forme des micro-transducteurs dans des configurations complexes. Les deux démonstrateurs élaborés sont : un micro-capteur multicanaux et un micromanipulateur incluant trois doigts et un poignet, afin de disposer dans le futur d’un retour haptique. Les effets induits par chacune des étapes du procédé d’intégration sont observés. En effet, chaque étape de micro-fabrication peut avoir un impact sur les matériaux présents sur la plaquette de silicium. Cette étude est particulièrement intéressante pour déterminer les potentiels impacts sur les microtransducteurs et de ce fait, sur leur capacité à assurer leur fonction d’actionneur et de capteur, qui est ensuite étudiée et comparée à celles des micro-transducteurs non intégrés.Electronically conducting polymers (ECP) are able to reversibly expand and contract in shape/volume in response to an external stimulus, thus called “artificial muscles”. These actuators are also able to generate an electrical signal in response to a mechanical stimulation. Then, they are both actuators and sensors. These active materials represent thus promising candidates for the development of soft microelectromechanical systems (MEMS). This PhD thesis consists of the development and the characterization of ECP-based micro-transducers for the realization of soft microsystems. To meet the needs of some applications, such as micro-robotics for the seizure of an object by a micro-gripper, before integration, the microactuators are characterized in strain and blocking force under direct current voltage. The study of the actuation dynamics provide crucial results to improve the understanding of the material, and to model its operation in order to realize and adequate micro-transducer control for the targeted application. Micro-fabrication techniques, such as photolithography and dry etching, have been used to shape the micro-transducers at sub-millimeter scale for the elaboration of prototypes on flexible chip including the electrical contacts. The developed process allow shaping the micro-transducers in complex configurations. Two prototypes have been developed: a multichannel micro-sensor and a micro-gripper with three fingers (two as actuators, one as sensor) and a wrist (as actuator), to have a haptic feedback in the future. The process effects on the micro-transducers are observed. Indeed, each micro-fabrication step might have an impact on the materials present on the wafer. This study is particularly interesting to determine the potential impacts on the micro-transducers and thus on their ability to perform their actuator and sensor function, which is then studied and compared to those of non-integrated micro-transducers

Toward an electroactive polymer-based soft microgripper

International audienceGrasping and manipulating objects on a microscale hold great promise, especially using mechanical structures made from soft materials that enable, for example, safe operations during micro-surgery. Soft robots should be preferred to manipulate micro-objects, but their adoption requires, inter alia, soft transducers that can operate either in air or in solution. Ultimately, they should enable actuation at low voltage, as well as be easy to fabricate. This paper presents the results on our investigations about conducting polymers-based transducers. We demonstrate that this material is suitable to construct sensitive structures and a microgripper is proposed to illustrate the results. Large strains were observed and a grasping force of 0.17 mN was generated. Moreover, compared to previous work, we show that the fabrication process can be downscaled while preserving the behavior of the material in both actuation and sensing modes. The macroscale mechanical models obtained are still valid for microscale actuation and sensing

PEDOT:PSS-based micromuscles and microsensors fully integrated in flexible chips

International audienceThe demand for polymer-based soft micro-electro-mechanical systems (MEMS) is growing due to the substantial increase of flexible and wearable electronic devices. In this context, electronically conducting polymers (ECPs) fulfil the requirements for soft MEMS by offering the possibility of actuation and sensing, however, their miniaturization, their integration attempts and their resulting performances are still limiting their use in real applications. In this work, elaboration, integration and operation of soft and efficient microtransducers based on commercially available poly(3,4-ethyledioxythiophene):poly(styrene sulfonate) conductive ink into flexible chips is demonstrated. This original process overcomes existing hurdles to the fabrication of fully integrated ECP-based devices with gold remote contacts directly in contact with ECPs and further embedding in flexible support. These batch-fabricated chips are actuated at low voltage (±3.0 V) in open-air with individual accessible electrical connections. More importantly, the mechanical strain sensing is evidenced for the first time on such small ECP-based devices after full integration and demonstrating low impact of the microfabrication process. This work opens the way for further development of soft ECP-MEMS and integration into more complex systems with possible applications in microrobotics, microfluidics, optoelectronics, biology, medicine or space

Behavior of Conducting Polymer-Based Micro-Actuators Under a DC Voltage

International audienc

Behavior of Conducting Polymer-Based Micro-Actuators Under a DC Voltage

International audienc

Demonstrating full integration process for electroactive polymer microtransducers to realize soft microchips

International audienceActuation and sensing with electroactive polymers should be a chance for flexible MEMS but their micromachining and integration are still not mature. Some innovative materials and microfabrication processes are still expected. In this paper, a first full elaboration of polymeric microtransducers (MTs) including integration and operation has been described. The fabrication process relies on commercially available poly(3,4-ethyledioxy-thiophene): poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) conductive ink, onto flexible SU-8 photoresist microchip. Batch-fabrication of complex flexible monolithic units comprising individually addressable MTs of different shapes, is demonstrated. The resulting polymeric MTs show both very promising bending actuation and strain sensing properties in open-air. Remarkably, the microfabrication process did not impact the performances compared to material fabricated with laser cutting. This work paves the way for flexible MEMS development for soft microrobotics, microfluidics in medical and spatial applications