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Printed memory, battery, and sensors for autonomous systems.

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Jehn, Johannes (2022). Printed memory, battery, and sensors for autonomous systems. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 162 p.

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Résumé

L’électronique imprimée offre un énorme potentiel pour les processus de fabrication personnalisés et à faible coût sur des substrats flexibles en vue de la réalisation de l’Internet des objets (IoT). Les techniques d’impression permettent un dépôt précis d’encres fonctionnelles sur une variété de substrats tels que des feuilles, du tissu ou du papier tout en conservant leurs propriétés flexibles. Les éléments constitutifs de l’IdO sont les interconnexions imprimables, les entrées/sorties, la logique, les cellules de mémoire, les capteurs et le stockage d’énergie. Même si la recherche sur les composants entièrement imprimés a rapidement progressé ces dernières années, la compatibilité, la facilité de fabrication et la compréhension détaillée sont toujours limités pour de nombreux composants. Divers matériaux et processus doivent être ajustés pour permettre une fabrication parfaite, tandis que l’interaction entre les composants est cruciale pour toute application ; tout cela nécessite une compréhension microscopique des mécanismes. Cette thèse vise l’intégration de multiples constituants imprimés afin de réaliser un système autonome. Les mécanismes de transport de courant, les structures et l’intégration des mémoires, des capteurs et des batteries sont analysés par des méthodes microscopiques et électriques. Les cellules de mémoire résistive consistent en une structure à trois couches, où un matériau isolant est pris en sandwich entre deux électrodes conductrices. La configuration la plus simple la rend particulièrement adaptée aux processus d’impression. Un filament métallique peut être formé et dissous par l’application de différentes tensions et, par conséquent, la modification de la résistance entre les électrodes est utilisée pour stocker des informations. Des approches d’impression complète ou hybride sont utilisées pour créer des cellules de mémoire en Ag/Spin-on-Glass/Ag ainsi qu’en Cu/CuxS/C. Elles présentent une très faible consommation d’énergie (1pJ par commutation) et permettent d’ingénier la formation du filament pour stocker plus d’un bit dans chaque cellule en contrôlant le filament par la conformité du courant. Pour alimenter la mémoire, une batterie planaire Zn/MnO2 sérigraphiée sur du PET flexible est fabriquée et présente des performances de pointe. Il est démontré que la batterie partage une électrode avec la mémoire et peut commuter l’état logique avec une longue rétention. Cette conception spécifique réduit le nombre d’étapes d’impression nécessaires ainsi que le matériel. Différents capteurs entièrement imprimés par jet d’encre sont présentés pour surveiller les changements de contrainte, de température et d’humidité relative. Une approche d’impression en deux étapes de nanotubes de carbone (CNT) et de PDMS permet une lecture piézo-résistive des régimes de déformation en tension et en compression. Les développements à long terme sur des milliers de cycles de flexion révèlent des mécanismes complexes de réorientation des CNT qui aideront au développement de futures applications basées sur les CNT. L’impression et le frittage de nanoparticules (NPs) de Cu par lumière pulsée intense (IPL) sont déterminés pour la réalisation d’un capteur de température semi-conducteur CuxS. La transformation ultérieure de Cu en CuxS est réalisée par un dépôt local de Na2S et les changements structurels au cours de ces processus sont étudiés par microscopie électronique à balayage confocale et (faisceau ionique focalisé). Le CuxS semi-conducteur présente un coefficient de température de résistance négatif et est également utilisé pour la couche isolante des cellules de mémoire. Les structures Cu-NP frittées sont ensuite utilisées comme électrodes pour un capteur d’humidité imprimé. Ici, les NPs de WO3 sont déposées sur le Cu en forme de peigne entrelacés et la réponse résistive exponentielle aux changements d’humidité relative est présentée. Les différents composants sont finalement intégrés dans un seul dispositif afin de stocker les informations de température dans la mémoire. Ceci est réalisé en limitant le courant fourni par la batterie `a la cellule de mémoire par la tension d’un capteur de température. La résistance élevée (faible) du capteur à basse (haute) température réduit (augmente) le flux de courant à travers la mémoire, ce qui entraîne un filament plus fin (plus épais), déterminant l’état logique résistif de celui-ci. En conclusion, dans le cadre de cette thèse, des composants entièrement imprimés sont présentés qui ouvrent la voie à des dispositifs personnalisés à faible coût pour des appareils flexibles et intelligents qui sont essentiels pour l’IdO.

Printed electronics offer tremendous potential for customizable, low-cost fabrication processes on flexible substrates contributing to the realization of the Internet of Things (IoT). Printing techniques allow for the precise deposition of functional inks on various substrates such as foils, fabric, or paper while maintaining their flexible properties. Building blocks towards IoT are printable interconnections, input/output, logic, memory cells, sensors, and energy storage. Even though the research towards fully printed components has rapidly progressed within the last years, compatibility, facile fabrication, and detailed understanding are still missing for many components. Various materials and processes need to be adjusted to allow seamless fabrication. The interplay between components is crucial for any application, all of which require a microscopic understanding of the underlying mechanisms. This thesis aims to integrate multiple printed constituents to achieve an autonomous system. Microscopic and electrical methods analyze the underlying mechanisms, structures, and integration of memories, sensors, and batteries. Resistive memory cells consist of a three-layered structure, where an insulating material is sandwiched between two conductive electrodes. The simplest setup makes it particularly suitable for printing processes. A metallic filament can be formed and dissolved by applying different voltages, and hence, the change in resistance between the electrodes stores the information. Fully or hybrid printing approaches use Ag/Spin-on-Glass/Ag and Cu/CuxS/C setups to create memory cells. They exhibit very low power consumption (1 pJ per switching) and allow engineering the filament formation to store more than one bit within each cell by controlling the filament size through the compliance current. A planar screen-printed Zn/MnO2 battery on flexible PET is fabricated to power the memory and exhibits state-of-the-art performance. It is shown that the battery shares one electrode with the memory and can switch the logical state with long retention. This specific design reduces the number of necessary printing steps and materials. Different fully inkjet-printed sensors are presented to monitor strain, temperature, and relative humidity changes. A two-step printing approach of carbon nanotubes (CNTs) and PDMS allows for piezoresistive read-out of tensile and compressive strain regimes. Long-term developments over thousands of bending cycles reveal complex reorientation mechanisms of CNTs that will aid the development of future CNT-based applications. Printing and sintering of Cu-nanoparticles (NPs) by intense pulsed light (IPL) is achieved to create a semiconducting CuxS temperature sensor. The subsequent transformation of Cu to CuxS is realized by local deposition of Na2S(aq) , and structural changes during these processes are investigated through confocal and (focused ion beam) scanning electron microscopy. The semiconducting CuxS exhibits a negative temperature coefficient of resistance and is also used for the insulating layer of the memory cells. Sintered Cu-NP structures are further utilized as electrodes for a printed humidity sensor. Here, WO3-NPs are deposited on interlacing comb-shaped Cu fingers, and the exponential resistive response to changes in relative humidity is presented. The different components are eventually integrated into one device to store temperature information in the memory. This is achieved by limiting the current provided by the battery to the memory cell through a temperature sensor. The high (low) resistance of the sensor at low (high) temperatures reduces (increases) the current flow through the memory, resulting in a thinner (thicker) filament, determining its resistive logical state. In conclusion, this thesis presents fully printed components that pave the way for customizable low-cost devices for flexible and smart devices critical for IoT.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Ruediger, Andreas
Co-directeurs de mémoire/thèse: Schindler, Christina
Mots-clés libres: électronique imprimée; impression jet d’encre; commutation résistive; batteries imprimées; capteur de contrainte; capteur d’humidité; capteur de température; systèmes autonomes; printed electronics; inkjet printing; resistive switching; printed batteries; strain sensor; humidity sensor; temperature sensor; autonomous systems
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 07 déc. 2022 21:05
Dernière modification: 24 janv. 2023 15:16
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/13126

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