Transcript Nouveaux matériaux pour capteur piézorésistif en couches minces
Nouveaux matériaux pour capteur piézorésistif en
Pierre-Yves Tessier
Université de Nantes Institut des Matériaux Jean Rouxel - IMN, CNRS, France Matinée thématique capteurs et matériaux - Captronic, IAM, EMC2, Elastopole, ID4CAR 19 novembre 2014 – Technocampus Composites - Bouguenais
Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Effet piézorésistif
« Variation de la résistance électrique sous l’effet d’une contrainte mécanique »
1856 – Découverte dans les
métaux
par Lord Kelvin
→ développement des jauges de contrainte à fil métallique
1954 – Découverte dans le germanium et le
silicium
1962 – premières jauges de contrainte à base de silicium
→ développement des microdispositifs à base silicium
1999 – Découverte dans les
couches de carbone
2002 – Effet de piézorésistivité géante dans les
nanofils de silicium
2011 – Effet piézorésistif dans les
nanocomposite métal/carbone
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Effet piézorésistif
« Variation de la résistance électrique sous l’effet d’une contrainte mécanique »
1856 – Découverte dans les
métaux
par Lord Kelvin
→ développement des jauges de contrainte à fil métallique
1954 – Découverte dans le germanium et le
silicium
1962 – premières jauges de contrainte à base de silicium
→ développement des microdispositifs à base silicium
1999 – Découverte dans les
couches de carbone
2002 – Effet de piézorésistivité géante dans les
nanofils de silicium
2011 – Effet piézorésistif dans les
couches métal/carbone
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Résistance R soumise à une contrainte axiale L
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Résistance R soumise à une contrainte axiale L+ ∆ L
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Résistance R soumise à une contrainte axiale
R = ρ L S ∆ R R = ∆ ρ ρ + ∆ L ( 1 + 2 ν ) L ∆ ρ ρ
Métaux
=
C ( 1
−
2
ν
)
∆
L L Semiconduc teurs
∆ ρ ρ = Π σ ρ : résistivité électrique ν C : constante de Bridgman σ : tenseur de contrainte : coefficient de Poisson Π : coefficient piézorésistif Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Technologies pérennes
-
métaux
: jauges de contraintes à fil ou couches minces -
silicium :
c apteur de pression ou de force, accéléromètre, capteur tactile… Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Jauges de contraintes à couches métalliques
Chang Liu, Micro Actuators, Sensors, Systems Group, University of Illinois
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Capteur de pression
Chang Liu, Micro Actuators, Sensors, Systems Group, University of Illinois
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Accéléromètre
Chang Liu, Micro Actuators, Sensors, Systems Group, University of Illinois
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Recherche de nouveaux matériaux Objectifs :
- Accroitre les sensibilités des jauges de déformation - Réduire l’influence de la température : - sur les coefficients piézorésistifs - Intégration aisée sur des surfaces - Chercher un effet isotrope
Couches minces nanocomposites métal/carbone déposées par procédés plasmas froids
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Nanocomposites métal/carbone Nanocomposite Métal/carbone Nanoparticules métalliques
Intérêts : - combiner les propriétés des couches minces de carbone avec celles des métaux - moduler les propriétés physiques des couches en jouant sur les proportions de carbone et de métal - possibilité d’inclure de nombreux métaux différents selon les propriétés visées (W, Ti, Cu, Ni,…) Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Plasmas froids
Obtenu par décharge électrique entre deux électrodes à travers un gaz La température du gaz reste proche de la température ambiante
Plasma
Electrodes
Contient des espèces ionisées (électrons et ions) et des espèces neutres (atomes, molécules, radicaux, espèces excitées) Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Traitement de surface par plasmas froids
Applications : Gravure du matériau - Modification chimie de surface : Fonctionnalisation - Dépôt d’un matériau → Couche mince (épaisseur : nm – µ m)
Plasma
Pièce à traiter
Procédés : Pression atmosphérique Basse pression Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Argon Dispositif de dépôt
Procédé hybride PVD/PECVD
Nickel Cible Spire Porte-échantillon OFF
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Argon Dispositif de dépôt
Procédé hybride
PVD
/PECVD
Pulvérisation du Nickel argon OFF
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Dépôt d’un film de nickel 16
CH 4 OFF Dispositif de dépôt
Procédé hybride PVD/
PECVD Nickel
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Dissociation du méthane dans plasma Dépôt d’un film de carbone 17
Argon CH 4 OFF Dispositif de dépôt
Procédé hybride PVD/PECVD
Pulvérisation du Nickel argon Dissociation du méthane dans plasma
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Dépôt d’un film nanocomposite carbone/métal 18
Composition chimique par XPS
100 90
Carbon
70 60 50 40 30 10 0 0
Nickel Oxygen
10 20 30 40 50
Methane ratio (%)
60 70 Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Microstructure par MET en coupe transverse 28 at.% C 35 at.% C allongées 54 at.% C sphériques 54 at.% C
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Evolution de la structure C Ni
Thèse Abdelaziz El Mel – IMN – Université de Nantes – 9 novembre 2011
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Zone I : Zone II-III: 100000 10000 1000 100 10 1 0,1
Comportement électrique
Zone III Zone II Zone I Process 1 Fit Process 1 Process 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Nickel Content (at.%)
loi de percolation
des nanograins métalliques comportement gouverné par conductivité électrique du carbone
Thèse Nicolas Bouts – IMN – Université de Nantes – 13 novembre 2014
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Jauge de déformation
∆ R R = G ε TCR = 1 R ∆ R ∆ T ε = ∆ L L R : Résistance G : Facteur de jauge ε : Déformation relative d : Epaisseur du support TCR : Temperature Coefficient of Resistance = d 2 r
S. Uhlig et al. / Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135
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Comportement des jauges Ni/C
Près du seuil de percolation des grains : important effet piézorésistif Facteur de jauge élevé : Faible coefficient de température :
G
≈≈≈≈
10 – 20 CT = 20 ppm/K
R. Koppert et al., Diamond & Related Materials 25 (2012) 50–58
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Comportement des jauges Ni/C Comportement métallique Comportement Semiconducteur amorphe
TCR = R ∆ R ∆ T
Heckmann et al. 2011 IEEE SENSORS Pages: 472-475
∆ R = G ε R Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014
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Capteur de pression Objectif : sensibilité à une pression isostatique qui évite l’emploi d’une membrane !
PCR = 1 R ∆ R ∆ P R : Resistance PCR : Pressure Coefficient of Resistance
S. Uhlig et al. / Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135
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Capteur de pression PCR = −20 ppm/bar
PCR = 1 R ∆ R ∆ P R : Resistance PCR : Pressure Coefficient of Resistance
S. Uhlig et al. / Sensors and Actuators A 193 (2013) 129–135
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Piézorésistivité dans les nanofils de silicium
A.C.H. Rowe, Journal of Materials Research, Volume 29 / Issue 06 / 2014, pp 731-744
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Etat de l’art
Facteur de jauge G TCR (ppm/K) PCR (ppm/bar)
Métal
~ 2 150 /
Silicium
10-200 100-2000 ± 50 - 100
Nanocomposite Ni/C 10-20 20-50 - 20 Nanofils Si
200-3000 ?
∆ R = G ε R TCR = 1 R ∆ R ∆ T Pierre-Yves Tessier - Matinée Capteurs et Matériaux – 19 novembre 2014 PCR = 1 R ∆ R ∆ P
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Présentation équipe PCM-IMN
→ Recherches axées sur le développement de procédés plasmas froids pour le dépôt de couches minces, la gravure ou le traitement de surface de matériaux. L’aspect basse température est souvent essentiel : les plasmas froids sont des procédés effectués à des températures très proches de la température ambiante.
→ Domaine de compétences et d’expertise : Sources plasmas → matériaux → diagnostics plasmas → couches minces → dispositifs analyses surfaces → Applications : tous les secteurs où il est nécessaire de modifier les propriétés des surfaces par traitement plasma, gravure ou dépôt d’un
technologie, photonique, opto-électronique, capteurs, revêtements et traitements de surface…
→ Formations spécialisées à destination des entreprises
Contact : [email protected]
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