Capteur de déformation flexible à haute sensibilité utilisant un film piézoélectrique en poly(fluorure de vinylidène)

Résumé

Nous démontrons un réseau de capteurs flexible 4 × 4 comprenant 16 unités micro-capacitives fabriquées à partir d'un film piézoélectrique en poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) de 50 µm d'épaisseur. L'imagerie optique et la microscopie de force piézoélectrique (PFM) confirment une interface PVDF/électrode nette et des domaines piézoélectriques robustes. Le réseau offre un rapport signal/bruit ultra-élevé, avec une tension de sortie linéairement proportionnelle à la pression appliquée à 12 mV kPa⁻¹. La réponse transitoire se rétablit en moins de 2,5 µs, soulignant sa performance électromécanique rapide. Des simulations théoriques montrent que le diafonage de signal entre cellules adjacentes est négligeable en dessous de 178 kPa, confirmant l'évolutivité du design.

Contexte

Le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) est un polymère piézoélectrique chimiquement stable, réputé pour ses propriétés pyroélectriques, piézoélectriques et ferroélectriques. Sa robustesse mécanique impressionnante — module de Young de 2 500 MPa et résistance à la traction proche de 50 MPa — rend les capteurs de pression à base de PVDF hautement flexibles et résistants à la fatigue. Comparé aux capteurs ferroélectriques conventionnels en PZT, le PVDF offre une alternative non toxique et biocompatible, ainsi qu'une souplesse supérieure, lui permettant de s'adapter à des géométries complexes essentielles pour les applications avancées de détection de déformation. Des travaux récents ont démontré des capteurs PVDF intégrés dans des cathéters intelligents pour la surveillance de pression en temps réel, la surveillance d'ondes de pouls au volant pour des applications de sécurité, et une peau artificielle qui détecte à la fois la pression et la température. Cependant, la plupart des dispositifs rapportés fournissent une détection monopoint avec une résolution spatiale limitée.

Dans des scénarios réels — tels que les biosenseurs portables qui cartographient la pression sur le corps humain — il existe une demande claire pour des réseaux de détection multipoints, hautement flexibles et ultra-sensibles. Ici, nous présentons un réseau de capteurs flexible 4 × 4 basé sur un film PVDF, atteignant une sensibilité de 12 mV kPa⁻¹ et un temps de réponse de 2,5 µs. Nous cartographions également la distribution de pression d'un doigt humain lors de mouvements courants, mettant en évidence le potentiel pratique du réseau.

Conception et expérimentation

Conception et fabrication du réseau de capteurs

Le capteur adopte une architecture en sandwich : un film PVDF de 50 µm (Jinzhou Kexin Inc., Chine) est revêtu des deux côtés de couches d'électrodes en aluminium de 20 µm. La Fig. 1a illustre le design, où 16 unités micro-condensateurs sont disposées en une grille 4 × 4, chaque groupe de quatre unités partageant un fil de sortie commun pour minimiser la complexité du routage.

a Schéma du réseau de capteurs. b Photo physique du dispositif terminé.

La fabrication se déroule sur une lame de verre revêtue de PDMS pour fournir un support rigide. Le film PVDF, déjà métallisé, est positionné sur le substrat, puis revêtu par centrifugation d'une couche de photorésist à 3000 tr/min pendant 40 s. La photolithographie suivie de l'attaque chimique humide de l'aluminium via un aligneur de masque (ABM, Inc., USA) produit le motif à 16 unités. Le réseau fini est détaché de la lame, et chaque condensateur est câblé à des pistes conductrices à l'aide de colle d'argent. Pour assurer la biocompatibilité, l'ensemble est encapsulé dans du PDMS et durci à 60 °C pendant 12 h. La Fig. 1b montre le capteur flexible fini plié autour d'un cylindre.

Propriété piézoélectrique du réseau de capteurs basé sur le film PVDF

Des mesures PFM (Seiko, Inc., Japon) ont été effectuées sur la surface du PVDF sous un biais AC de 2 V sur une zone de 2 × 2 µm². Le contraste de phase résultant confirme des domaines piézoélectriques bien définis et une interface nette avec les électrodes sous-jacentes.

Étalonnage du réseau de capteurs

L'étalonnage a consisté à appliquer des pressions contrôlées au réseau à l'aide d'une plateforme électromécanique reliée à un système d'acquisition National Instruments DAQ-USB6008. La tension de sortie du capteur a été enregistrée en variant la pression, permettant la construction d'une courbe d'étalonnage tension-pression.

Résultats et discussion

La Fig. 2a montre la morphologie de surface après attaque au microscope optique, révélant un contraste distinct indiquant une interface PVDF/aluminium propre. Les Fig. 2b et 2c montrent la surface du PVDF et son image de phase PFM, respectivement ; la morphologie lisse et le fort signal de phase attestent d'un comportement piézoélectrique robuste.

a Morphologie de surface après attaque. b Surface PVDF. c Image de phase PFM.

Sous une pression constante de 98,1 kPa appliquée à une seule électrode, le capteur produit une sortie de 123,1 mV avec un bruit négligeable, comme montré à la Fig. 3a. Lorsque la même pression est appliquée simultanément à quatre électrodes, chacune sort ~190 mV, démontrant une excellente synchronisation à travers le réseau (Fig. 3b). Une courbe d'étalonnage tension-pression linéaire de 60 à 150 kPa donne une pente de 12 mV kPa⁻¹ avec un décalage de –159,2 mV (Fig. 3c).

Tensions de sortie filtrées : a électrode unique, b quatre électrodes, c courbe d'étalonnage.

Les tests de réponse transitoire ont impliqué l'application de pressions impulsionnelles (≈75,1 kPa) à 90 Hz. La tension du capteur monte et descend en 2 ms, indiquant une réponse électromécanique rapide (Fig. 4a). Sur la plage 60–150 kPa, le temps de réponse reste constamment sous 2 ms, et les amplitudes de sortie s'alignent avec l'étalonnage linéaire.

Réponses maintien-libération pour les pressions : a 75,1 kPa, b 58,2 kPa, c 67,8 kPa, d 81,9 kPa, e 98,1 kPa, f 153,6 kPa. Encadré : réponse du PVDF nu.

Le diafonage de signal entre électrodes adjacentes a été examiné via des simulations COMSOL Multiphysics. Chaque électrode couvre 1,4 mm². La Fig. 5b montre la distribution de contrainte lorsque la pression est appliquée à l'électrode A, avec une contrainte accrue observée aux sites voisins. La tension d'interférence simulée varie linéairement avec la pression appliquée, avec une pente de 0,028 mV kPa⁻¹ et une ordonnée à l'origine de 5 × 10⁻⁴ mV (Fig. 5c). L'interférence tombe en dessous de 5 mV pour des pressions sous 178 kPa, la rendant pratiquement insignifiante. La réduction de la surface d'électrode atténue davantage l'interférence, comme confirmé par des simulations avec des électrodes de 1,2, 1,0 et 0,8 mm² (Fig. 5d).

a Géométrie de simulation. b Carte de déplacement. c Tension d'interférence vs pression pour 1,4 mm². d Résultats pour électrodes 0,8, 1,0, 1,2 mm².

Pour démontrer l'utilité pratique, nous avons cartographié la distribution de pression sur un pouce lors de trois mouvements courants : shiatsu, pétrissage et frottement. La Fig. 6 montre que pendant le shiatsu, un point concentré de 76 kPa apparaît au centre du doigt, tandis que le pétrissage produit une pression plus élevée sur la surface avant, et le frottement produit une distribution plus uniforme d'environ 68 kPa. Ces résultats s'alignent avec des observations cliniques antérieures et confirment la capacité du capteur à capturer les pressions nuancées des mouvements du doigt.

Cartes de pression du doigt : a shiatsu, b pétrissage, c frottement.

En résumé, le réseau de capteurs 4 × 4 à base de PVDF fabriqué offre une détection de déformation flexible, à haute sensibilité, avec des temps de réponse rapides. Sa capacité démontrée de cartographie de pression sur des doigts humains indique un fort potentiel pour la biosurveillance portable et les applications haptiques robotiques.

Abréviations

PFM :

Microscopie de force piézoélectrique

PVDF :

Poly(fluorure de vinylidène)