La présente invention concerne un dispositif multicouche électroactif ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif.

Classiquement, un dispositif multicouche électroactif comporte :

- un substrat,

- un empilement comprenant :

• N électrodes numérotées 1 à N, N étant un entier supérieur ou égal à 3, l'électrode numérotée 1 étant agencée sur le substrat, chaque électrode présentant un numéro pair ou impair étant notée respectivement électrode paire ou impaire, les électrodes paires et impaires étant respectivement reliées entre elles,

• un matériau à base d'un polymère électroactif interposé entre deux électrodes consécutives.

De tels dispositifs sont utilisés pour différentes applications. A titre d'exemple, on peut citer :

- les microsystèmes électromécaniques (MEMS) de type actionneur, notamment pour micropompe, lentille autofocale ou écran à toucher haptique,

- les haut-parleurs,

- les condensateurs à forte capacité,

- les dispositifs à retour haptique.

Chaque polymère électroactif entre deux électrodes consécutives forme une membrane pouvant être déformée en appliquant un champ électrique. Un polymère électroactif présente généralement une tension d'actionnement élevée, de l'ordre de 100 V/μΐτι. L'emploi d'un dispositif multicouche avec des électrodes interconnectées permet de réduire la tension d'actionnement du dispositif.

Un premier dispositif multicouche électroactif connu de l'état de la technique, notamment du document intitulé « Multilayered relaxor ferroelectric polymer actuators for low-voltage opération fabricated with an adhesion- mediated film transfer technique », S. T. Choi et al., Sensors and Actuators A 203 (2013), 282-290, (ci-après D1 ) comporte un empilement avec des électrodes métalliques fines, dont l'épaisseur est inférieure à 100 nm. Ces électrodes métalliques fines sont déposées par pulvérisation sous vide pour obtenir l'épaisseur désirée.

Un deuxième dispositif multicouche électroactif connu de l'état de la technique, notamment du document intitulé « Fabrication of piezoelectric polymer multilayers on flexible substrates for energy harvesting », S.R. Oh et al., Smart Mater. Struct 23 (2014) 015013, (ci-après D2) comporte un empilement avec des électrodes métalliques fines (épaisseur de 200 nm) déposées par évaporation par faisceau d'électrons.

Un troisième dispositif multicouche électroactif connu de l'état de la technique, notamment du document intitulé « Multilayer piezoelectric copolymer transducers » , T. Lilliehorn et al., 2005 IEEE Ultrasonics Sympisium, 1618- 1620, (ci-après D3) comporte un empilement avec des électrodes métalliques fines (épaisseur de 150 nm) déposées par évaporation.

Les documents D1 à D3 décrivent des électrodes métalliques qui doivent être très fines (épaisseur inférieure à 200 nm) afin que leur raideur ne nuise pas aux performances du dispositif en terme d'amplitude de déformation des membranes de l'empilement.

Or, comme mentionné dans D1 , une telle finesse des électrodes métalliques peut conduire à une protection insuffisante des polymères électroactifs contre une dissolution.

En outre, une telle finesse des électrodes métalliques peut conduire à un échauffement important du dispositif par effet Joule. Cet échauffement important est susceptible de détériorer les polymères électroactifs interposés entre les électrodes.

Par ailleurs, de telles électrodes métalliques sont déposées par des méthodes pouvant difficilement être mises en œuvre à l'échelle industrielle, en raison de coûts importants. La présente invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités, et concerne à cet effet un dispositif multicouche électroactif, comportant :

- un substrat,

- un empilement comprenant :

• N électrodes numérotées 1 à N, N étant un entier supérieur ou égal à 3, l'électrode numérotée 1 étant agencée sur le substrat, chaque électrode présentant un numéro pair ou impair étant notée respectivement électrode paire ou impaire, les électrodes paires et impaires étant respectivement reliées entre elles,

• un matériau à base d'un polymère électroactif interposé entre deux électrodes consécutives,

le dispositif étant remarquable en ce que chaque électrode est réalisée dans un matériau à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice.

Ainsi, un tel dispositif selon l'invention autorise des épaisseurs d'électrodes plus élevées que l'état de la technique sans nuire aux performances en terme d'amplitude de déformation, et ce par le choix d'un matériau à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice pour chaque électrode. En outre, un tel matériau à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice est susceptible d'être formé par des techniques pouvant être mises en œuvre à l'échelle industrielle, par exemple des techniques d'impression.

Un matériau à base d'un polymère conducteur peut présenter un module d'Young proche d'un polymère électroactif, ce qui permet de réduire les contraintes au sein du dispositif.

Un matériau à base d'une encre conductrice permet d'obtenir une excellente conductivité électrique.

Selon un mode de réalisation, chaque électrode présente une épaisseur comprise entre 250 nm et 2 μΐη. Ainsi, une telle gamme d'épaisseurs pour chaque électrode permet de protéger efficacement les polymères électroactifs contre une dissolution, de réduire fortement réchauffement par effet Joule du dispositif, tout en restant suffisamment fine afin de pas nuire aux performances du dispositif en terme d'amplitude de déformation.

Selon une forme d'exécution, le polymère conducteur est sélectionné dans le groupe comportant le Poly(3,4-éthylènedioxythiophène)- poly(styrènesulfonate) et la polyaniline.

Ainsi, de tels polymères sont des polymères conducteurs électriques pouvant être formés facilement par une technique d'impression.

Selon une forme d'exécution, l'encre conductrice est à base d'un métal sélectionné de préférence dans le groupe comportant Ag, Al, Ni, et Cu.

Selon un mode de réalisation, le polymère électroactif est un diélectrique présentant une permittivité relative comprise entre 12 et 50.

Ainsi, un tel dispositif selon l'invention forme un empilement de capacités.

Selon une forme d'exécution, le polymère électroactif est un fluoropolymère sélectionné de préférence dans le groupe comportant le polyfluorure de vinylidène, noté PVDF, et un dérivé du PVDF.

Avantageusement, le dérivé du PVDF est sélectionné dans le groupe comportant :

- le copolymère PVDF / trifluoroéthylène, noté PVDF / TrFE,

- le terpolymère PVDF / TrFE / chlorotrifluoroéthylène, noté PVDF / TrFE / CTFE,

- le terpolymère PVDF / TrFE / chlorofluoroéthylène, noté PVDF / TrFE / CFE.

Ainsi, de tels polymères électroactifs conviennent tout particulièrement pour une application dans les microsystèmes électromécaniques (MEMS) de type actionneur.

Avantageusement, le polymère électroactif est un élastomère. Ainsi, il est possible d'obtenir de bonnes performances en terme d'amplitude de déformation.

Avantageusement, le matériau à base d'un polymère électroactif comporte un plastifiant.

Ainsi, le plastifiant permet de faire varier le module d'Young du polymère électroactif afin de faciliter sa déformation.

Selon un mode de réalisation, le substrat est un substrat souple, de préférence réalisé dans un matériau à base de polynaphtalate d'éthylène.

Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une couche de passivation s'étendant sur l'électrode numérotée N de l'empilement, la couche de passivation étant de préférence réalisée dans un matériau à base d'un polymère électroactif.

Ainsi, une telle couche de passivation permet de protéger notamment l'électrode numérotée N de l'empilement d'une dégradation issue par exemple de l'humidité ou d'une oxydation. La couche de passivation peut être également réalisée dans un matériau formant barrière à l'humidité tel qu'un polymère d'encapsulation.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif multicouche électroactif, comportant les étapes :

a) prévoir un substrat,

b) former un empilement comprenant :

- N électrodes numérotées 1 à N, N étant un entier supérieur ou égal à 3, l'électrode numérotée 1 étant agencée sur le substrat, chaque électrode présentant un numéro pair ou impair étant notée respectivement électrode paire ou impaire, les électrodes paires et impaires étant respectivement reliées entre elles de préférence par un via,

- un matériau à base d'un polymère électroactif interposé entre deux électrodes consécutives,

le procédé étant remarquable en ce que chaque électrode est formée lors de l'étape b) dans un matériau à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice, et en en ce que l'étape b) est exécutée par une technique d'impression.

Ainsi, un tel procédé selon l'invention permet de fabriquer un dispositif multicouche électroactif à l'échelle industrielle, de manière simple et à bas coût en formant l'ensemble de l'empilement par une technique d'impression. Un tel procédé est rendu possible par le choix du matériau de chaque électrode qui est à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice.

Selon un mode de mise en œuvre, la technique d'impression est sélectionnée dans le groupe comportant la sérigraphie, le jet d'encre, l'héliogravure et la flexographie.

Avantageusement, la formation de chaque polymère électroactif lors de l'étape b) est suivie d'une étape de recuit de type infrarouge du polymère électroactif correspondant, l'étape de recuit de type infrarouge n'excédant pas de préférence une durée de 5 minutes.

Ainsi, une telle étape de recuit permet d'évaporer les solvants utilisés pour la technique d'impression de chaque polymère électroactif beaucoup plus rapidement qu'avec une plaque chauffante ou un four.

Avantageusement, la formation de chaque polymère conducteur lors de l'étape b) est suivie d'une étape de recuit de type infrarouge du polymère conducteur correspondant, l'étape de recuit de type infrarouge n'excédant pas de préférence une durée de 5 minutes.

Ainsi, une telle étape de recuit permet d'évaporer les solvants utilisés pour la technique d'impression de chaque polymère conducteur beaucoup plus rapidement qu'avec une plaque chauffante ou un four.

Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comporte une étape c) former une couche de passivation s'étendant sur l'électrode numérotée N de l'empilement, la couche de passivation étant de préférence formée dans un matériau à base d'un polymère électroactif.

Ainsi, la formation d'une telle couche de passivation permet de protéger notamment l'électrode numérotée N de l'empilement d'une dégradation issue par exemple de l'humidité ou d'une oxydation. La couche de passivation peut être également formée dans un matériau formant barrière à l'humidité tel qu'un polymère d'encapsulation.

Avantageusement, l'étape c) est exécutée par une technique d'impression, sélectionnée de préférence dans le groupe comportant la sérigraphie, le jet d'encre, l'héliogravure et la flexographie.

Avantageusement, le procédé comporte une étape d) appliquer une différence de potentiel entre une électrode paire et une électrode impaire de manière à créer un champ électrique dans l'empilement afin d'activer les interfaces de l'empilement.

Le champ électrique créé dans l'empilement est de préférence compris entre 20 et 60 V/μΐτι, encore préférentiellement égal à 40 V/μΐτι.

Ainsi, il a été constaté expérimentalement que l'étape d) permet d'activer les interfaces de l'empilement, c'est-à-dire favoriser l'injection des porteurs de charge aux interfaces de l'empilement.

Selon un mode de mise en œuvre, chaque polymère électroactif est formé lors de l'étape b) sur une surface d'impression présentant une aire supérieure à l'aire de la surface d'impression de chacune des deux électrodes consécutives correspondantes.

Ainsi, tout contact entre les électrodes paires et impaires est évité.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre de différents modes de réalisation d'un dispositif selon l'invention et de modes de mise en œuvre d'un procédé selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif selon l'invention,

- la figure 2 est une vue partielle schématique en perspective éclatée d'un dispositif selon l'invention,

- la figure 3 est une vue en perspective du dispositif illustré à la figure 2, - la figure 4 est une vue partielle schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention, - la figure 5 est une section transversale du dispositif illustré à la figure 4,

- la figure 6 est une section transversale du dispositif illustré à la figure 4,

- les figures 7a à 7h sont des vues de dessus illustrant les étapes d'un procédé selon l'invention.

Pour les différents modes de réalisation, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description.

Le dispositif illustré à la figure 1 est un dispositif multicouche électroactif, comportant :

- un substrat 1 ,

- un empilement comprenant :

4 électrodes E1 , E2, E3, E4, numérotées 1 à 4, l'électrode E1 , numérotée 1 , étant agencée sur le substrat 1 , chaque électrode E1 , E2, E3, E4 présentant un numéro pair ou impair étant notée respectivement électrode paire ou impaire, les électrodes paires E2, E4 et impaires E1 , E3 étant respectivement reliées entre elles, par exemple par un via 2,

un matériau 3 à base d'un polymère électroactif interposé entre deux électrodes consécutives, Le substrat 1 est avantageusement un substrat souple, de préférence réalisé dans un matériau à base de polynaphtalate d'éthylène. Le substrat 1 peut présenter une épaisseur comprise entre 25 μιη et 250 μιη.

Chaque électrode E1 , E2, E3, E4 est réalisée dans un matériau à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice. Le polymère conducteur est avantageusement sélectionné dans le groupe comportant le Poly(3,4-éthylènedioxythiophène)-poly(styrènesulfonate) et la polyaniline. L'encre conductrice est avantageusement à base d'un métal sélectionné de préférence dans le groupe comportant Ag, Al, Ni, et Cu. Chaque électrode E1 , E2, E3, E4 présente avantageusement une épaisseur comprise entre 250 nm et 2 μιη. Le polymère électroactif de chaque matériau 3 est avantageusement un diélectrique présentant une permittivité relative comprise entre 12 et 50. Le polymère électroactif d'un matériau 3 est avantageusement un fluoropolymère sélectionné de préférence dans le groupe comportant le polyfluorure de vinylidène, noté PVDF, et un dérivé du PVDF. Le dérivé du PVDF est avantageusement sélectionné dans le groupe comportant le copolymère PVDF / trifluoroéthylène, noté PVDF / TrFE, le terpolymère PVDF / TrFE / chlorotrifluoroéthylène, noté PVDF / TrFE / CTFE, et le terpolymère PVDF / TrFE / chlorofluoroéthylène, noté PVDF / TrFE / CFE. Le polymère électroactif d'un matériau 3 est avantageusement un élastomère. Le polymère électroactif d'un matériau 3 comporte avantageusement un plastifiant par exemple de la famille des phtalates. Les polymères électroactifs des matériaux 3 peuvent être identiques ou différents (de nature différente ou de composition différente). Le polymère électroactif d'un matériau 3 peut être issu d'un mélange de plusieurs composés. Le polymère électroactif de chaque matériau 3 peut présenter une épaisseur comprise entre 200 nm et 5 μιη.

Le dispositif comporte avantageusement une couche de passivation 4 s'étendant sur l'électrode numérotée 4, E4, de l'empilement. La couche de passivation 4 est avantageusement réalisée dans un matériau à base d'un polymère électroactif tel que décrit précédemment. La couche de passivation 4 peut présenter une épaisseur de l'ordre de 800 nm. Le dispositif illustré à la figure 1 comporte 4 électrodes E1 , E2, E3, E4 à titre d'exemple. Toutefois, un tel dispositif peut comporter :

- N électrodes numérotées 1 à N, N étant un entier supérieur ou égal à 3, l'électrode numérotée 1 étant agencée sur le substrat, chaque électrode présentant un numéro pair ou impair étant notée respectivement électrode paire ou impaire, les électrodes paires et impaires étant respectivement reliées entre elles, - un matériau 3 à base d'un polymère électroactif interposé entre deux électrodes consécutives.

La demanderesse a constaté expérimentalement que l'augmentation du nombre N d'électrodes dans l'empilement permet de réduire significativement la tension d'actionnement pour obtenir une même amplitude de déformation prédéterminée du dispositif, et ce en vue d'une application dans un microsystème électromécanique (MEMS) de type actionneur.

Un procédé de fabrication d'un dispositif multicouche électroactif conforme à l'invention, comporte les étapes :

a) prévoir un substrat 1 ,

b) former un empilement comprenant :

- 4 électrodes E1 , E2, E3, E4 numérotées 1 à 4, l'électrode numérotée 1 étant agencée sur le substrat 1 , chaque électrode E1 , E2, E3, E4 présentant un numéro pair ou impair étant notée respectivement électrode paire ou impaire, les électrodes paires E2, E4 et impaires E1 , E3 étant respectivement reliées entre elles,

- un matériau 3 à base d'un polymère électroactif interposé entre deux électrodes E1 , E2, E3, E4 consécutives,

Chaque électrode E1 , E2, E3, E4 est formée lors de l'étape b) dans un matériau à base d'un polymère conducteur ou à base d'une encre conductrice. Chaque électrode E1 , E2, E3, E4 comporte une ligne de connexion 5 (notamment visible aux figures 2 à 4) pouvant être détachée. Chaque ligne de connexion 5 est conformée pour être en saillie du matériau 3 de manière à autoriser une connexion entre les électrodes paires E2, E4 et une connexion entre les électrodes impaires E1 , E3. La connexion effective entre les électrodes paires E2, E4 et la connexion effective entre les électrodes impaires E1 , E3 sont chacune assurées préférentiellement par un via 2, comme illustré aux figures 5 et 6. L'étape b) est exécutée par une technique d'impression avantageusement sélectionnée dans le groupe comportant la sérigraphie, le jet d'encre, l'héliogravure et la flexographie. L'électrode E1 numérotée 1 est imprimée sur le substrat 1 , comme illustré à la figure 7a. Puis un matériau 3 à base d'un polymère électroactif est imprimé sur l'électrode E1 , comme illustré à la figure 7b. Plus précisément, le matériau 3 est imprimé sur une surface d'impression présentant une aire supérieure à l'aire de la surface d'impression de l'électrode E1 de manière à autoriser un saut de marche entre deux électrodes consécutives. Puis l'électrode E2 numérotée 2 est imprimée sur le matériau 3, comme illustré à la figure 7c. Puis le matériau 3 est imprimé sur l'électrode E2, comme illustré à la figure 7d. Les étapes précédentes sont réitérées jusqu'à la formation de l'empilement avec le nombre d'électrodes souhaitées, comme illustré aux figures 7e à 7h. La formation de chaque polymère électroactif lors de l'étape b) est avantageusement suivie d'une étape de recuit de type infrarouge du polymère électroactif correspondant, l'étape de recuit de type infrarouge n'excédant pas de préférence une durée de 5 minutes. L'étape de recuit infrarouge peut être exécutée avec un radiateur infrarouge comportant une résistance électrique chauffante insérée dans un matériau céramique. Une telle étape de recuit de type infrarouge permet d'évaporer les solvants utilisés pour la technique d'impression. A titre d'exemple, lorsque le polymère électroactif est un dérivé du PVDF, le polymère électroactif peut être soluble dans une cétone telle que la cyclopentanone. En outre, une telle étape de recuit de type infrarouge permet de cristalliser le polymère électroactif correspondant lorsque la température du recuit atteint la température de cristallisation. De la même façon, la formation de chaque polymère conducteur lors de l'étape b) est avantageusement suivie d'une étape de recuit de type infrarouge du polymère conducteur correspondant, l'étape de recuit de type infrarouge n'excédant pas de préférence une durée de 5 minutes. Le procédé comporte avantageusement une étape c) former une couche de passivation 4 s'étendant sur l'électrode E4, la couche de passivation 4 étant de préférence formée dans un matériau à base d'un polymère électroactif. L'étape c) est avantageusement exécutée par une technique d'impression, sélectionnée de préférence dans le groupe comportant la sérigraphie, le jet d'encre, l'héliogravure et la flexographie.

Un tel procédé selon l'invention nécessite 4 masques respectivement utilisés pour les électrodes paires E2, E4, les électrodes impaires E1 , E3, le matériau 3 et la couche de passivation 4. Plus précisément, lorsque la technique d'impression est la sérigraphie, un tel procédé nécessite 4 cadres. Lorsque la technique d'impression est le jet d'encre, un tel procédé nécessite 4 têtes d'impression. Lorsque la technique d'impression est l'héliogravure ou la flexographie, un tel procédé nécessite 4 rouleaux.

Le procédé comporte avantageusement une étape d) appliquer une différence de potentiel entre une électrode paire E2, E4 et une électrode impaire E1 , E3 de manière à créer un champ électrique dans l'empilement afin d'activer les interfaces de l'empilement. Cette activation des interfaces convient tout particulièrement lorsque chaque électrode E1 , E2, E3, E4 est formée lors de l'étape b) dans un matériau à base de Poly(3,4-éthylènedioxythiophène)- poly(styrènesulfonate).