Bonjour,
Ayant reçu l'avis favorable des rapporteurs, j'ai le plaisir de vous inviter à assister à ma soutenance de thèse intitulée :
"Ultrathin conducting polymer transducers: fabrication, characterization, and modeling"

 

Elle se déroulera le vendredi 21/09 à 13h30 dans l'amphithéâtre de l'IEMN sur le campus Université de Villeneuve d'Ascq Cité Scientifique (plan d'accès: https://www.iemn.fr/localisation).
La soutenance sera suivi du traditionnel pot qui sera organisé dans la Salle Pierre ARMANTde l'IEMN-DOAE.

 

Composition du jury :

Rapporteurs

M. Alejandro A. FRANCO, Professeur des Universités, UPJV/ CNRS UMR 7314, Amiens.

M. Herbert SHEA, Professeur l’Université de EPFL, Neuchâtel.

Examinateurs

M. Edmond CRETU, Professeur de l’Université de Colombie Britannique, Vancouver

M. Mu CHIAO, Professeur de l’Université de Colombie Britannique, Vancouver

Mme. Ludivine FADEL, Professeur des Universités, IMS UMR 5218, Talence

Directeurs de thèse

M. Éric CATTAN, Professeur des Universités, UPHF / IEMN, Valenciennes

M. Sébastien GRONDEL, Professeur des Universités, UPHF / IEMN, Valenciennes

M. John D.W. MADDEN, Professeur de l’Université de la Colombie Britannique, Vancouver

Membre invité

M. Cédric PLESSE, Maître de Conférence HDR, LPPI, Cergy Pontoise.


Résumé :

Ces dernières années, les actionneurs à base de polymères conducteurs ioniques (poly (3,4-éthylènedioxythiophène : PEDOT) ultraminces ont surmonté un certain nombre d’obstacles en terme d’intégration qui ont permis d’accroître les applications potentielles dans les dispositifs de type microsystèmes. Une micro-fabrication sans aucune manipulation manuelle de ces actionneurs à tri-couches a été démontrée. Cependant les performances mécaniques de ces actionneurs étaient limitées pour une éventuelle utilisation dans un microsystème.

Le but de cette thèse a été d'optimiser la fabrication destransducteurs en couches minces, de caractériser complètement leurs propriétés électrochimiques, mécaniques et électromécaniques et de développer un modèle pour simuler leur capacité électromécanique bidirectionnelle d’actionnement et de détection.

Dans un premier temps, des actionneurs ultra-minces à base de PEDOT sont fabriqués par polymérisation en phase vapeur de 3,4-éthylènedioxythiophène associée à un procédé de synthèse couche par couche. La déformation en flexion et la force générées par ces actionneurs ont été mesurées et ont atteint respectivement 1% et 12 μN. Ceci constitue la première caractérisation de microactionneurs ioniques à base de PEDOT fonctionnant dans l'air d'une épaisseur aussi faible (17 μm). Il a été observé que la méthode de fabrication utilisée induisait une dissymétriedes états de surface de chacune des électrodes.

Dans un second temps, les propriétés électriques, électrochimiques et mécaniques des microactionneurs résultants ont été caractérisées. Celles-ci incluent : la conductivité électrique et la capacité volumétrique, le rapport empirique déformation/charge et le module d’Young de l'actionneur en fonction de l'état de charge de l'électrode PEDOT. La conductivité ionique des électrodes de PEDOT et de la matrice support d'électrolyte, le taux d'amortissement et la déformation linéaire de l'actionneur tri-couche ont également été mesurés.

Dans un troisième temps, un modèle multi-physique non linéaire a été proposé afin de prédire les réponses en mode actionneur et en mode capteur dans ces tri-couches. Ce modèle non linéaire est constitué d'un sous-système électrique représenté par un circuit équivalent RC, d’une matrice de couplage électromécanique et d’un sous-système mécanique décrit en utilisant une méthode d'éléments finis rigides. Le modèle proposé a été représenté en utilisant un formalisme Bond Graph et a utilisé l’ensemble des paramètres caractérisés. La concordance entre les simulations et les mesures a confirmé la précision du modèle dans la prédiction de la réponse électrochimique dynamique et mécanique non linéaire des actionneurs. En outre, les informations extraites du modèle ont également fourni un aperçu des paramètres critiques des actionneurs et de leur incidence sur l'efficacité de l'actionneur, ainsi que sur la distribution de l'énergie : l'énergie dissipée, stockée et transférée. Ce sont les paramètres clés pour concevoir, optimiser et contrôler le comportement d'actionnement d'un actionneur tri-couche.

Enfin, un modèle linéaire électromécanique bidirectionnel a été introduit pour simuler la capacité de détection du transducteur. La simulation correspond de manière cohérente aux résultats expérimentaux dans les domaines de fréquence et de temps d'un déplacement d'entrée sinusoïdal

Les modèles proposés sont prometteurs pour la conception, l'optimisation et le contrôle de futurs dispositifs microsystèmes souples pour lesquels l'utilisation de transducteurs en polymère devrait être essentielle.    

Abstract :

Recently, ultrathin poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) – based ionic actuators have overcome some initial obstacles to increase the potential for applications in microfabricated devices. While microfabrication processing of trilayer actuators that involve no manual handling has been demonstrated, their mechanical performances remain limited for practical applications.

The goal of this thesis is to optimize the transducers in thin films fabrication by micro technologies, fully characterize the electrochemomechanical properties of the resulting trilayers, and develop a model to simulate their bidirectional electromechanical ability (actuation and sensing).

At first, ultrathin PEDOT-based trilayer actuators are fabricated via the vapor phase polymerization of 3,4-ethylenedioxythiophene combining with the layer by layer synthesis process. Bending deformation and output force generation have been measured and reached 1% and 12 µN respectively. This constitutes the first characterization of ionic PEDOT-based microactuators operating in air of such a small thickness (17 µm). It has been observed that this fabrication method induces an asymmetry in the surface roughness of each electrode.

Secondly, electrical, electrochemical and mechanical properties of the resulting microactuators have been thoroughly studied. These include the electrical conductivity and the volumetric capacitance, the empirical strain-to-charge ratio, and Young’s modulus of the actuator as a function of the PEDOT electrode charge state. The ionic conductivity of the PEDOT electrodes and of the solid polymer electrolyte, the damping ratio, and the linear strain of the trilayer actuator were also measured.

Thirdly, a nonlinear multi-physics model was derived, and proposed as a method of simulating actuator and sensor responses in trilayers. This nonlinear model consists of an electrical subsystem represented by an RC equivalent circuit, an electro-mechanical coupling matrix, and a mechanical subsystem described by using a rigid finite element method. The proposed model was represented using a Bond Graph formalism and was able to implement all of the characterized parameters. The concordance between the simulations and the measurements confirmed the accuracy of the model in predicting the non-linear dynamic electrochemical and mechanical response of the actuators. In addition, the information extracted from the model also provided an insight into the critical parameters of the actuators and how they affect the actuator efficiency, as well as the energy distribution including dissipated, stored, and transferred energy. These are the key parameters for designing, optimizing, and controlling the actuation behavior of a trilayer actuator.

Finally, a bidirectional electromechanical linear model was introduced to simulate the sensing ability of the trilayer transducer. The simulation coherently matches the experimental results in both frequency and time domains of a sinusoidal input displacement. The resulting actuators and the proposed models are promising for designing, optimizing, and controlling of the future soft microsystem devices where the use of polymer actuators should be essential.    

Cordialement,
Ngoc Tan Nguyen

 

Satellite meeting of EuroEAP 2018

Participation to the meeting will be free of charge. Everyone is invited.

Thursday 7the June

Hotel VALPRE room Saint Maori

1 chemin de Chalin - BP 165, 69131 ECULLY

8:30       MICACT Supervisory board meeting 

9:15       Welcome coffee

9:30       Alvo Aabloo; Introduction and short overview of MICACT activities.

9:40       Zane Zondaka, University of Tartu; Conducting polymer and carbon-based material composites

10:00     Yong Zhong, Linköping University; Flexible gel electrolytes with reactive surfaces for soft electrochemical systems

10:20     Manav Tyagi, Linköping University; Easy patterning and fabrication of conducting polymer microactuators using soft-lithography

10:40     Susana Solano Arana, Technische Universität Darmstadt; Characterization of pumping micromixers based on dielectric elastomer stack actuators

11:00     NGUYEN NGOC Tan, Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologies, Non-linear dynamic modeling of ultrathin conducting polymer actuators including inertial effects

11:20     Victor H. Pascual, Universidad Politécnica de Cartagena; Sensing and Actuating Properties of PPy/DBS films for artificial muscles

11:40     Joana Costa, IVTECH/University of Pisa; Development of an innovative bioreactor to provide radial stretching to in vitro cultures

12:00     Lunch

13:00     Eswaran Murugasen, Université Paris Diderot; Elaboration of multifunctional hybrid materials for photoelectrochemical micromotor

13:20     Alessandro Iannarelli, Delft University of Technology; Lifetime estimation methods and its application to DEAP

13:40     Sunjai Nakshatharan, Estrotech/University of Tartu; Ionic Electroactive Polymer based Parallel Manipulators

14:00     Sam Schlatter, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne; Drop-on-demand printed dielectric elastomer actuator

14:20     Xiaobin Ji, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne; Towards an untethered 800 mg robot driven by three dielectric elastomer actuators operating below 300 V

14:40                    Close. Up, coffee and sweets

Great news!

Our promotional video is ready. You can see it from:

https://youtu.be/PQKM5Igdqxo

For full HD version please contact directly.

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