Fabrication and characterization of flexible strain sensors based on 1D nanostructures with cross-linked gold nanoparticles

Fabrication et caractérisation de capteurs de déformation flexibles à base d’assemblage de nanoparticules d'or greffées sur des nanostructures 1D Les capteurs de déformation flexibles sont associés à la croissance rapide de la robotique souple et des équipements portables. Au cours des dernières années, un grand nombre de nouveaux dispositifs basés sur ces capteurs flexibles ont été introduits pour être utilisés dans les domaines de la santé et des interactions homme-machine, entre autres. En général, les capteurs flexibles ont d'excellentes propriétés mécaniques et électriques, telles qu'une sensibilité élevée, une haute résolution et une réponse rapide, mais ils manquent souvent de stabilité et de durabilité. Les dispositifs de déformation flexibles se composent généralement d'éléments actifs tels que des nanoparticules ou des nanofils et d'un substrat souple. Parmi les matériaux de détection utilisés, les nanomatériaux 1D présentent des avantages uniques en raison de leurs caractéristiques structurelles inhérentes, c'est-à-dire le rapport surface/volume important qui permet d'améliorer les propriétés mécaniques et électriques. Dans cette thèse, des nanoparticules d'or (AuNP) fonctionnalisées avec le ligand MPA (acide 3-Mercaptopropionique) et greffées de manière covalente sur des nanostructures hélicoïdales de silice par une liaison amide, sont utilisées comme élément actif de détection. Ces matériaux sont désignés sous le nom de nanostructures hélicoïdales (HNS). Grâce à leur morphologie hélicoïdale, proche de celle d’un ressort mécanique, des capteurs de déformation très stables et très sensibles ont été fabriqués.Pour améliorer les performances des capteurs de déformation, les HNS sont alignées de manière unidirectionnelle et déposées avec précision sur des électrodes interdigitées par diélectrophorèse (DEP). La résistance électrique des capteurs peut être modulée en effectuant des dépôts DEP en plusieurs étapes. Les capteurs sont ensuite encapsulés avec un film mince isolant pour protéger les matériaux actifs de la poussière et de l'humidité. La caractérisation mécanique a été réalisée à l'aide d'un banc d'essai mécanique en flexion trois points. De plus, des tests d'humidité et de température ont été réalisés. Les résultats obtenus montrent une grande stabilité des capteurs de contrainte lorsqu'ils sont encapsulés.Les capteurs de contrainte HNS peuvent mesurer des contraintes aussi faibles que 0,01% avec un facteur de jauge allant jusqu'à 80. Ils sont très stables (variation de moins de quelques % sur 2 millions de cycles à 1% de déformation) et ne présentent aucune hystérésis. Ils ont été utilisés avec succès pour effectuer des mesures permettant de détecter le mouvement des doigts et du poignet ou encore la surveillance du rythme cardiaque. Ces caractéristiques remarquables rendent ces dispositifs HNS particulièrement intéressants pour les écrans tactiles, la détection de mouvements pour la robotique haptique ou encore la mesure de signaux biologiques sur le corps humain.