Equipe Micro et Nanosystèmes

Micrographie en microscopie par transmission électronique HAADF de la structure tricouche AlN/ZnO/IDT(Au/Ti)/LiNbO3- Y128

Micrographie en microscopie par transmission électronique HAADF de la structure tricouche AlN/ZnO/IDT(Au/Ti)/LiNbO₃- Y128

Capteur sans fil à ondes élastiques de surface « tatoué » sur la peau

Dispositif d’assistance à la chirurgie de l’oreille moyenne, avec capteur à membrane polymère piézoélectrique

Dernières publications

A review on electrospun PVDF-based nanocomposites: Recent trends and developments in energy harvesting and sensing applications
Sreelakshmi Moozhiyil Purushothaman, Maïté Fernandes Tronco, Bicy Kottathodi, Isabelle Royaud, Marc Ponçot, Nandakumar Kalarikkal, Sabu Thomas, Didier Rouxel
Polymer, 2023, 283, pp.126179. ⟨10.1016/j.polymer.2023.126179⟩
Wireless strain and temperature monitoring in reinforced concrete using Surface Acoustic Wave (SAW) sensors
Pierre Jeltiri, Firas Al-Mahmoud, Rémi Boissière, Baptiste Paulmier, Tony Makdissy, Omar Elmazria, Pascal Nicolay, Sami Hage-Ali
IEEE Sensors Letters, 2023, pp.1-4. ⟨10.1109/LSENS.2023.3315219⟩
Temperature and strain SAW/BAW sensors on metallic substrates with RFID capability
Prince Mengue, Baptiste Paulmier, Sami Hage-Ali, Cyril Noirel, Marc Poncot, Cécile Floer, Hamid M’jahed, Alexander Shvetsov, Sergei Zhgoon, Pascal Nicolay, Omar Elmazria
Smart Materials and Structures, 2023, 32 (9), pp.095017. ⟨10.1088/1361-665X/aceaec⟩

Présentation

Le domaine des microcapteurs et autres microdispositifs piézoélectriques (actionneurs, récupérateurs d’énergie, etc.) est le thème principal de l’équipe Micro et Nanosystèmes.

Son expertise va du développement de matériaux piézoélectriques (polymères, films minces) aux dispositifs, notamment médicaux, en passant par les techniques de micro et nano fabrication pour la réalisation de microcapteurs/actionneurs multifonctions. Elle s’appuie sur des approches théoriques afin d’obtenir les caractéristiques attendues pour les applications visées.

Sa reconnaissance est attestée par de nombreux projets financés et collaborations internationales. Ces projets portent entre autres sur la réalisation de :

microcapteurs pouvant supporter des environnements extrêmes (alliage en couche mince, structure auto-protégée),
microdispositif de monitoring de la chirurgie de l’oreille (capteur de vibration à base de polymère piézoélectrique)
stimulateurs acoustiques pour la caractérisation mécano-biologique.

Ces réalisations positionnent l’équipe au tout premier plan dans le domaine des matériaux fonctionnels, des microcapteurs et des microdispositifs piézoélectriques.

L’équipe Micro et Nanosystèmes élabore et caractérise des matériaux fonctionnels, notamment piézoélectriques et en couches minces, pour la réalisation de microdispositifs à ondes élastiques. Elle structure les matériaux fonctionnels et les intègre pour réaliser des microdispositifs et des systèmes destinés à être valorisés auprès des partenaires industriels. Les principaux domaines d’application sont la santé, l’industrie 4.0, et le contrôle de la santé des structures (SHM).

Mots-clés

Ondes élastiques

Microcapteurs

Microdispositifs

Matériaux fonctionnels

Piézoélectriques

Polymères

Thématiques de recherche

Biocapteur et interaction onde/vivant

Les microdispositifs à ondes élastiques de surface permettent de stimuler, caractérise, détecter des cellules humaines saines et tumorales. Pour cela, des modèles numériques sont développés afin de mettre en évidence les interactions onde/fluide biologique (échauffement, mixing, etc.) et de déterminer les paramètres primordiaux des dispositifs (nature des matériaux, fréquence, puissance, bandgap des structures phononiques, modes de vibration, etc.).

Deux étapes suivent :

L’étude du comportement des cellules sous l’influence d’une excitation mécanique. La mécanobiologie est une thématique émergente dans l’équipe et vise à quantifier et comprendre comment les cellules réagissent aux forces mécaniques en fonction de la fréquence des ondes, de la puissance et de la dose. Une meilleure compréhension des processus impliqués (modification de viscoélasticité, de structure du cytosquelette, du module de cisaillement, etc.) permettrait de faire un diagnostic précoce en dissociant cellules saines et tumorales et d’envisager des traitements médicaux de type régénération tissulaire, par exemple.
Le développement de différents systèmes (piliers phononiques, multifréquences, piégeage magnétique) afin d’exacerber la sensibilité et de sonder à différentes profondeurs pour caractériser le fluide biologique en présence de cellules.

Projet :

PHC CNRS France/Taïwan 2019-2022
Institut Carnot-ICEEL + FEDER (CAP-MAT): 2020-2021
PHC Hibiscus France Malaisie 2020-2022
International Emerging Action (IEA CNRS) IJL-UCSD, California, USA

Thèses :

CNES / Université de Sherbrooke (Canada), co-tutelle, Jérémy Bonhomme, 2017-2020
Bourse ministère - Université de Lorraine, Lucile Olive, 2018-2021
CONACYT / Université de Sherbrooke (Canada), Pedro Alerto Segura Chavez, 2017-2022
Bourse Gabon, Doll Spencerh Bidouba Sanvani. 2019-2022

Micro-capteurs et instrumentation

L’équipe développe des microcapteurs à ondes élastiques, passifs, interrogeables à distance et miniatures pour un large spectre d’applications, en privilégiant l’industrie 4.0, la santé des structures (SHM) et les applications biomédicales. Pour répondre à une problématique donnée et selon les grandeurs à mesurer (température, contrainte, pression, champ magnétique, …), elle mène des travaux allant du développement de matériaux fonctionnels et innovants, jusqu’à l’intégration du transducteur dans un système communiquant en passant par l’étude, la réalisation et la caractérisation. L’antenne embarquée est également optimisée pour répondre aux contraintes d’adaptation, d’encombrement et des conditions de fonctionnement.
Ces microcapteurs sans électronique ni énergie embarquée sont particulièrement attrayant pour des utilisations en environnements hostiles (hautes températures, milieux corrosifs, milieux radiatifs, etc.), sur des pièces tournantes ou à accès très limité, ou encore sur le corps humain (« tatouages électroniques »).

Projets :

ANR PRC WSSTITWIN : 2020-2023
Institut Carnot-ICEEL + FEDER (CAP-MAT): 2020-2022
ANR JCJC SAWGOOD : 2018-2022
ANR PRC Immunanocaps: 2016-2020
Institut Carnot-ICEEL 3less: 2018-2019
ANR PRCE SALSA : 2015-2019
ANR PIA2 Impact 2016-2020: Nanomaterial for Sensors (N4S)
PHC Amadeus France-Autriche (IJL-CUAS) 2022-2023

Thèses :

Florian Bartoli (Bourse CentraleSupélec), soutenue le 5 avril 2019
Harshad Mishra (Bourse ISITE LUE N4S), soutenue le 18 novembre 2019
Cécile Floer (Bourse DGA), soutenue le 20 novembre 2019
Prince Mengue (Bourse Gabon), soutenue le 16 juin 2022
Baptiste Paulmier (Bourse DGA-Pôle M4), 2019-2022
Jordan Maufay (Bourse ISITE LUE internationale), 2019-2022
Ulrich Youbi (Bourse Gabon), 2021-2024

Polymères et nanocomposites piézoélectriques pour microcapteurs

L’équipe fabrique des films souples dotés d’excellentes propriétés piézoélectriques. Elle maîtrise par ailleurs très bien les polymères PVDF et P(VDF-TrFE) avec ou sans nanocharges conçus grâce aux microtechnologies « salle blanche ». Ces deux facteurs ont permis le développement d’un capteur de vibration intégré dans un dispositif d’assistance à la chirurgie de l’oreille moyenne. Ce capteur est basé sur une membrane piézoélectrique souple nanocomposite qui permet de tester la transmission des ondes élastiques le long de la chaîne ossiculaire.
Dans le domaine des polymères et nanocomposites, les travaux s’appuient sur des collaborations de longue date (Memorandum of Understanding 2013, renouvelé en 2018, avec l’Université Mahatma Gandhi, Kerala, Inde), notamment le Pr Sabu Thomas, référence mondiale en matière de nanocomposite polymère (indice h : 106). Une des pistes d’études collaboratives initiée est la promotion de l’éco-conception et l’utilisation des matériaux naturels. De nombreux projets scientifiques communs ont été développés depuis 2017, notamment dans le cadre du PICS CNRS NASA (2017-2019) puis de l’IRP CNRS APONAMA (2022-2026).

Projets :

Programme International de Cooperation Scientifique (PICS) CNRS Inde NASA (2017-2019)
International Research Partnership (IRP) CNRS Inde APONAMA (2022-2026)
Programme Indien SPARC : « Bio-filler-Interfaced Electrospun PVDF Hybrid Piezoelectric Generator for Mechanical Energy Harvesting » (2019-2023)
2 programmes ISITE-LUE Professor@Lorraine des Pr Sabu Thomas (2018-2022) et du Pr Nandakumar Kalarikkal (2019-2022)

Thèses :

Bicy KOTTATHODI (Bourse indienne), soutenue le 13/01/2020
Sunija SUKUMARAN (Bourse ISITE LUE N4S) soutenue le 30/08/2021
Thibault TRICARD (LUE, projet exploratoire Orthosis4D) soutenue le 8/04/2022
Maïté FERNANDES TRONCO (Thèse LUE Internationale) : 2021-2024
Sreelakshmi MOOZHIYIL PURUSHOTHAMAN (Thèse CEFIPRA) : 2022-2025

Savoir-faire

Elaboration

Élaboration et caractérisation de matériaux fonctionnels, notamment piézoélectriques et en couches minces, cristallins et polymères, pour la réalisation de microdispositifs à ondes élastiques ou autres
Fabrication de capteurs à ondes élastiques de surface (température, champs magnétique, contraintes et déformations, pression, etc.). La spécificité du capteur est apportée par l’utilisation de structures multicouches incluant des films fonctionnels judicieusement sélectionnées et élaborés

Caractérisation

Piézométrie, propriétés élastiques par spectrométrie Brillouin
Caractérisation d’antenne et de micro-capteurs en chambre anéchoïque RF (400 MHz- 9GHz)
Caractérisation RF de capteurs à ondes élastiques de surface:
- en température jusqu’à 600°C sous pintes RF et jusqu’à 900°C si packagée
- sous champs magnétiques
- sous contraintes
- en pression 10^-6 Torr à 10⁴Torr

Transfert technologique

Dispositif d’Aide au Monitoring per-opératoire dans la Chirurgie de l’Oreille Moyenne (DAMCOM) : en cours avec la SATT Sayens
Projet Maturation NanoCaps en cours