Study of piezoelectric devices based on free-standing printed thick-films : application to VOCs detection using micro-cantilevers with mesoporous silicasensitive coating

Abstract

Ces dernières années, des procédés de sérigraphie associés à la technique de la couche sacrificielle ont été développés pour préparer des microsystèmes piézoélectriques à base de couches épaisses de titanate de zirconate de plomb (PZT PbZrTiO3). Cependant, les choix des matériaux et les conditions de traitement (telles que la composition des encres de sérigraphie, les conditions d'impression et le traitement thermique) pourraient affecter la microstructure et par conséquent les propriétés électromécaniques des transducteurs à couches épaisses imprimés. Avec des films épais de PZT déposés sur une couche sacrificielle composite à base d'époxy et de SrCO3, une porosité résiduelle est observée au sein des films de PZT. Ainsi, les films de PZT obtenus ont des propriétés piézoélectriques inférieures à celles d'un PZT massif commercial. Ce travail met en évidence l'amélioration possible des propriétés des films piézoélectriques imprimés par une préparation appropriée de l’encre de PZT et le choix des matériaux des électrodes et de la couche sacrificielle. Avec le dépôt sur une couche sacrificielle de polyester et en utilisant une encre de PZT à base des nanoparticules de PZT et avec 3 % en poids d'aide de frittage LBCU (Li2CO3, Bi2O3 et CuO), les microdisques de PZT libérés ont montré une meilleure densification après une cuisson à 900°C (≈7,4 g/cm3). En outre, les électrodes en Ag/Pd ont permis d'obtenir une meilleure interface PZT/électrodes par rapport aux électrodes en Au. En conséquence, des valeurs plus élevées du coefficient de couplage électromécanique effectif (≈45%) et de permittivité relative (≈1200) ont été obtenues. Dans la deuxième partie de ce travail, l’encre optimisée a été utilisée pour la fabrication d'une micro-poutre dédiée à la détection des composés organiques volatils (COVs). Le principe de ce capteur est basé sur la mesure des décalages de fréquence de résonance de la micropoutre en vibration lorsqu'elle est exposée à des espèces cibles. Avec la micropoutre recouverte d'une couche sensible présentant une capacité de sorption élevée, ces décalages peuvent être négatifs en raison d'une augmentation de la masse. Pour cette application, différentes géométries de cantilevers en PZT ont été fabriquées (de 3x1x0,1 mm3 à 6x2x0,1 mm3). Ensuite, la micro-poutre de taille 3x2x0,1 mm3 a été choisie pour l'application de détection parce qu'elle donnait des valeurs acceptables de sensibilité massique (≈27 Hz/µg) et qu'elle présentait une surface suffisante pour le dépôt de la couche sensible. La silice mésoporeuse (MCF-Si) est un type de matériau qui est intéressant pour être utilisé comme récepteur en raison de la grande taille de ses pores et de leurs volume. Ici, elle a été synthétisée par la méthode sol-gel avant d'être fonctionnalisée par l'hexaméthyldisilazane (HMDS) pour être plus hydrophobe. Les MCF-Si fonctionnalisés ont une surface, une taille de pores et un volume de pores de ≈484 m2/g, 6,59 nm et 0,906 cc/g, respectivement. Enfin, ce matériau poreux (≈50 µg) a été déposé sur l'extrémité libre d’une micro-poutre de PZT avant la détection des COVs à température ambiante. De faibles réponses sous des vapeurs d'eau, d'éthanol et de benzène ont été constatées alors que le capteur a montré une très bonne sensibilité à la vapeur de toluène. De plus, les décalages de fréquence se sont avérés positifs ou négatifs en raison d'une compétition entre les effets de masse et de rigidité. Une dépendance avec la nature de la surface de la micropoutre (avec ou sans couche sensible) et avec la composition et concentration du gaz a été notée. Avec les valeurs de sensibilité au toluène (≈ 0,24 Hz/ppmV) et la limite de détection (25 ppm), le capteur serait bénéfique pour la surveillance de l'environnement.