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L'idée est qu'à l'avenir, ces mini-moteurs dotés de leurs propres capteurs intégrés soient montés sur des circuits imprimés souples à base de film. Telle est la vision des équipes de Paul Motzki, de l'Université de la Sarre, et de John Heppe, de l'École supérieure des sciences appliquées de la Sarre (htw saar). Elles présenteront le principe de ce nouveau commutateur à la Foire de Hanovre: du 20 au 24 avril, stand collectif "Germany’s Saarland", hall 11, stand D41.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
Ce que le robinet est à l’eau, les transistors le sont au courant – c’est ainsi que l’on explique souvent ces composants électroniques : imaginez le courant comme de l’eau qui jaillit du conduit sous la pression de la tension électrique. Les transistors permettent d’activer et de désactiver le courant, ou encore de réguler la quantité qui doit circuler. Sans transistors, rien ne fonctionne dans notre monde moderne. Le nombre de transistors présents dans les appareils électriques est astronomique. Un seul smartphone en contient à lui seul plusieurs milliards. Mais les transistors peuvent aussi devenir volumineux et coûteux lorsqu’il s’agit de tensions et de fréquences élevées. Ils sont aujourd’hui constitués de différentes couches de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium ou le germanium.
Des chercheurs de Sarrebruck fabriquent des transistors à partir de feuille de silicone et s’aventurent ainsi en terrain inconnu. « Nous remplaçons les composants semi-conducteurs par ce que l’on appelle des élastomères diélectriques », explique Paul Motzki, professeur en systèmes de matériaux intelligents à l’Université de la Sarre, qui mène des recherches sur ce sujet en collaboration avec John Heppe de l’Université des sciences appliquées de la Sarre (htw saar). À l’aide d’une version de démonstration d’un commutateur à feuille présentée sur , les équipes illustrent le fonctionnement de cette nouvelle méthode lors du salon de Hanovre de cette année.
Des films intelligents à la place du silicium
Ces deux groupes de travail sont spécialisés dans la fabrication de dispositifs d'entraînement à partir de films ultra-fins, qui fonctionnent sans capteurs supplémentaires. Les films sont recouverts sur leurs deux faces d'une couche d'électrodes extensible et conductrice d'électricité. Lorsque les chercheurs y appliquent une tension électrique, des forces électrostatiques s'exercent et les deux couches d'électrodes s'attirent : la feuille s'aplatit encore davantage et s'étire sur toute sa surface. « En modifiant la tension électrique, nous pouvons commander la feuille, la faire monter et descendre en continu, la faire taper ou encore la faire vibrer à n'importe quelle fréquence et avec n'importe quelle amplitude », explique Paul Motzki. Les films font office de capteur, car le moindre mouvement du film correspond à une valeur de mesure précise de la capacité électrique. Ces valeurs permettent aux chercheurs, d’une part, de déterminer comment le film se déforme à un instant donné et, d’autre part, de définir exactement comment il doit se déformer – et à quelle vitesse.
Depuis des années, Motzki et son équipe perfectionnent ces films intelligents afin qu’ils réagissent de manière toujours plus rapide et plus sensible. Il en résulte des mini-moteurs à faible consommation d’énergie, capables d’exécuter des chorégraphies de mouvements ou de maintenir fermement certaines positions. Ils les utilisent pour construire les prototypes les plus divers, qu'il s'agisse d'une seconde peau tactile dans les vêtements, de boutons virtuels qui appuient sur les écrans au bout des doigts, de pompes et de valves, ou même de haut-parleurs ultralégers. Les moteurs à feuille ne consomment de l'énergie que lorsqu'ils sont en action, et non lorsqu'ils maintiennent une position donnée.
Des films élastiques comme robinets d'électricité – à la fois moteur et capteur
Désormais, ces films intelligents doivent servir de commutateurs électroniques pour ouvrir et fermer le robinet d'électricité, afin de pouvoir être utilisés à l'avenir comme transistors à haute efficacité énergétique. Pour cela, ils sont dotés d'un nouveau revêtement. Jusqu’à présent, la couche électroconductrice était composée de suie, appelée « carbon black », c’est-à-dire une forme de carbone. Lorsque le courant traverse cette couche de suie, la résistance électrique qui freine le courant est bien trop élevée pour permettre l’utilisation de transistors efficaces. C'est pourquoi Motzki et son équipe collaborent avec le groupe de travail « Physikalische Sensorik und Mechatronik » (Capteurs physiques et mécatronique) du professeur John Heppe. Les deux groupes de travail travaillent côte à côte au Centre de mécatronique et de technologie d'automatisation de l' e de Sarrebruck (Zema), un institut de recherche commun aux deux universités, dont Paul Motzki est le directeur général.
L'équipe de John Heppe est spécialisée dans les revêtements minces. Au lieu de la suie, c'est une couche de métal hautement conducteur intégrée au commutateur à feuille qui doit permettre d'activer et de désactiver le courant à une vitesse fulgurante. Le problème : pour fonctionner, la feuille doit pouvoir s'étirer considérablement. Avec deux couches métalliques rigides imprimées, cela serait difficile. La solution consiste justement à ne pas imprimer la couche métallique de manière rigide. « Nous utilisons une méthode de revêtement spéciale : le procédé dit de pulvérisation cathodique », explique John Heppe. L'astuce : les chercheurs étirent d'abord le film, puis y déposent une fine couche de métal conductrice : avec ses dix nanomètres, cette couche est plus de mille fois plus fine qu'un cheveu. Ils étirent ensuite le film encore un peu plus. « On peut facilement comparer cela à un ballon sur lequel on a dessiné un cercle : si on continue à le gonfler, la couche se déchire à de nombreux endroits », explique Heppe pour décrire l’effet.
Une fine couche de métal fissurée : la voie vers un interrupteur à film conducteur
Lorsque les chercheurs relâchent la tension sur la feuille, ces fissures se referment et le courant circule. S’ils étirent la feuille, les fissures apparaissent dans l’électrode et le courant s’interrompt : ouvert et fermé – le commutateur à feuille peut commuter. Si la couche métallique sur l’élastomère se contracte et forme même des plis, elle n’oppose qu’une faible résistance au courant. Le commutateur à film peut laisser passer un courant important. « La résistance est d’à peine 50 à 100 ohms sur une surface d’environ un centimètre carré. Il est également possible de réaliser ici un circuit haute tension pour des cycles de commutation très rapides, comme pour des vannes ou des pompes. Nous pouvons passer de résistances très faibles à des résistances très élevées », explique John Heppe. Dans toutes les positions entre les extrêmes « Toutes les fentes ouvertes » et « Toutes les fentes fermées », le débit de courant peut être dosé comme sur un robinet. De telles électrodes peuvent être « pulvérisées » sur la feuille à une distance de quelques micromètres.
« À l’avenir, les transistors sur film pourraient être utilisés pour commuter des tensions élevées de l’ordre du kilovolt à des fréquences plus élevées – ce qui nécessite aujourd’hui des composants de transistors volumineux et parfois coûteux. Les systèmes globaux deviendront plus petits, plus efficaces et moins chers », explique Paul Motzki. L’objectif de l’équipe de recherche est de mettre au point des circuits imprimés sur film légers et flexibles pour la haute tension. Jusqu’à présent, les transistors classiques sont soudés sur des circuits imprimés plats et rigides afin que les appareils électriques reçoivent les bonnes commandes . Grâce à cette nouvelle technologie, les transistors pourraient être intégrés directement dans des films d’entraînement flexibles. « Ces nouveaux types de circuits imprimés ouvrent de nouvelles possibilités d’application, par exemple dans le domaine de la technologie médicale. Des mini-moteurs dotés de capteurs seraient directement intégrés dans le circuit imprimé en film », explique Paul Motzki.
Lors du salon, les équipes de recherche font la démonstration du procédé à l’aide d’un interrupteur à film : lorsqu’on tire sur un levier, le film s’étire, des fissures se forment dans l’électrode métallique, la résistance passe brusquement de l’ordre de l’ohm à celui du mégaohm et le flux de courant s’interrompt. Lorsque l'on relâche le levier, la feuille se détend, les fissures se referment et, comme la résistance est très faible (inférieure à 100 ohms), le courant circule sans pertes importantes, même à des tensions élevées pouvant atteindre par exemple dix kilovolts (ce qui est nécessaire pour les nouveaux actionneurs électrostatiques).
Contexte
Le projet TransDES (recherche sur les structures de transistors à base de systèmes élastomères diélectriques flexibles) est financé par la Sarre et par le Fonds européen de développement régional (FEDER). Dans le cadre de ce projet, les équipes du professeur Paul Motzki (Université de la Sarre) et du professeur John Heppe (htw saar) collaborent au Centre de mécatronique et de techniques d'automatisation (Zema), un institut de recherche commun aux deux établissements d'enseignement supérieur.
De jeunes scientifiques mènent également des recherches sur la technologie des élastomères diélectriques dans le cadre de thèses de doctorat. Elle fait l'objet de nombreuses publications dans des revues spécialisées et a été soutenue dans le cadre de plusieurs projets de recherche : notamment par l'UE dans le cadre d'une bourse de recherche Marie Curie, par la Communauté allemande de recherche (DFG) dans le cadre du programme prioritaire SPP KOMMMA, par le gouvernement du Land de Sarre dans le cadre des projets FEDER iSMAT et Multi-Immerse, ainsi que par le MESaar dans le cadre d'un programme de doctorat.
Les chercheurs transposent les résultats de leurs travaux de recherche appliquée dans la pratique industrielle. À cette fin, ils ont fondé, à partir de l’université, la société mateligent GmbH, qui sera également représentée sur le stand au salon de Hanovre.
Stand collectif « Germany’s Saarland », hall 11, stand D41.
Pour toute question :
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki : T : +49 (681) 85787-13 ; E : paul.motzki(at)uni-saarland.de
https://imsl.de – Chaire des systèmes de matériaux intelligents
https://zema.de – Centre de mécatronique et de techniques d'automatisation (ZeMA)
Photos de presse à télécharger :
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