Nouveaux matériaux pour capteur piézorésistif en couches minces

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1 Nouveaux matériaux pour capteur piézorésistif en couches minces Pierre-Yves Tessier Université de Nantes Institut des Matériaux Jean Rouxel - IMN, CNRS, France 1 µm Matinée thématique capteurs et matériaux - Captronic, IAM, EMC2, Elastopole, ID4CAR 19 novembre 2014 Technocampus Composites - Bouguenais 1

2 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 2

3 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 3

4 Résistance R soumise à une contrainte axiale L 4

5 Résistance R soumise à une contrainte axiale L+ L 5

6 Résistance R soumise à une contrainte axiale L R = ρ S R R = ρ ρ + L L ( 1+ 2ν) Métaux Semiconducteurs ρ ρ = C(1 2ν) L L ρ ρ = Πσ ρ : résistivité électrique - ν : coefficient de Poisson C : constante de Bridgman - Π : coefficient piézorésistif σ : tenseur de contrainte 6

7 Technologies pérennes - métaux : jauges de contraintes à fil ou couches minces - silicium : capteur de pression ou de force, accéléromètre, capteur tactile 7

8 Jauges de contraintes à couches métalliques Chang Liu, Micro Actuators, Sensors, Systems Group, University of Illinois 8

9 Capteur de pression Chang Liu, Micro Actuators, Sensors, Systems Group, University of Illinois 9

10 Accéléromètre Chang Liu, Micro Actuators, Sensors, Systems Group, University of Illinois 10

11 Recherche de nouveaux matériaux Objectifs : - Accroitre les sensibilités des jauges de déformation - Réduire l influence de la température : - sur la résistivité électrique - sur les coefficients piézorésistifs - Intégration aisée sur des surfaces - Chercher un effet isotrope Couches minces nanocomposites métal/carbone déposées par procédés plasmas froids 11

12 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, ) 12

13 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) 13

14 Applications : Traitement de surface par plasmas froids - Gravure du matériau - Modification chimie de surface : Fonctionnalisation - Dépôt d un matériau Couche mince (épaisseur : nm µm) Plasma Pièce à traiter Procédés : Pression atmosphérique Basse pression 14

15 Dispositif de dépôt Procédé hybride PVD/PECVD Argon Nickel Cible Spire OFF Porte-échantillon 15

16 Dispositif de dépôt Procédé hybride PVD/PECVD Argon Nickel Pulvérisation du nickel dans plasma argon OFF Dépôt d un film de nickel 16

17 Dispositif de dépôt Procédé hybride PVD/PECVD CH 4 Nickel Dissociation du méthane dans plasma OFF Dépôt d un film de carbone 17

18 Dispositif de dépôt Procédé hybride PVD/PECVD Argon CH 4 Nickel Pulvérisation du nickel dans plasma argon Dissociation du méthane dans plasma OFF Dépôt d un film nanocomposite carbone/métal 18

19 Composition chimique par XPS Eleme ent Content (at.%) Carbon Nickel Methane ratio (%) Oxygen 19

20 Microstructure par MET en coupe transverse 28 at.% C 35 at.% C Nanofils Nanoparticules allongées 54 at.% C 54 at.% C Nanoparticules sphériques 20

21 Evolution de la structure Ni C Thèse Abdelaziz El Mel IMN Université de Nantes 9 novembre

22 Comportement électrique Elec ctrical conductivit ty (Ω 1.cm -1 ) Zone I : Zone II-III: ,1 Zone III Zone II Zone I Process 1 Process 2 Fit Process 1 0,01 Fit Process 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

23 Jauge de déformation R R = Gε TCR = 1 R R T ε = L = L d 2r R : Résistance G : Facteur de jauge ε : Déformation relative d : Epaisseur du support TCR : Temperature Coefficient of Resistance S. Uhlig et al. / Sensors and Actuators A 193 (2013)

24 Comportement des jauges Ni/C Près du seuil de percolation des grains : important effet piézorésistif Facteur de jauge élevé : G Faible coefficient de température : CT = 20 ppm/k R. Koppert et al., Diamond & Related Materials 25 (2012)

25 Comportement des jauges Ni/C Comportement métallique Comportement Semiconducteur amorphe TCR = 1 R R R T R R R = Gε Heckmann et al IEEE SENSORS Pages:

26 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)

27 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)

28 Piézorésistivité dans les nanofils de silicium A.C.H. Rowe, Journal of Materials Research, Volume 29 / Issue 06 / 2014, pp

29 Etat de l art Métal Silicium Nanocomposite Ni/C Nanofils Si Facteur de jauge G ~ TCR (ppm/k) PCR (ppm/bar) / ± ? R R = Gε TCR = 1 R R T PCR = 1 R R P 29

30 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 diagnostics plasmas analyses surfaces matériaux couches minces dispositifs Applications : tous les secteurs où il est nécessaire de modifier les propriétés des surfaces par traitement plasma, gravure ou dépôt d un matériau en couches minces : microélectronique, micro- et nanotechnologie, photonique, opto-électronique, capteurs, revêtements et traitements de surface Formations spécialisées à destination des entreprises Contact : pierre-yves.tessier@cnrs-imn.fr 30

31 31 Merci pour votre attention Matinée thématique capteurs et matériaux - Captronic, IAM, EMC2, Elastopole, ID4CAR 19 novembre 2014 Technocampus Composites - Bouguenais

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