Brevet FR3157780A1 — publié le 20250627

Circuit imprimé comprenant un substrat (1) comprenant un matériau diélectrique sous forme de feuillet. Le substrat (1) comprend deux faces principales. Chacune des faces principales supporte des électrodes (2, 3) formées dans un matériau électriquement conducteur. Au moins deux électrodes de capteur (2) sont réalisées sur une face principale et au moins deux électrodes de chauffage (3) sont réalisées sur l’autre face principale. Une couche de nanotubes de carbone (7) est déposée entre les deux électrodes de capteur (2) et une couche d’encre de chauffage (6) est déposée entre les deux électrodes de chauffage (3). Cette couche d’encre de chauffage (6) est au moins en partie déposée en vis-à-vis de la couche de de nanotubes de carbone (7). Figure d’abrégé: 1 Circuit imprimé et procédé de fabrication de circuits imprimés L’invention concerne le domaine des circuits imprimés et des procédés de fabrication de circuits imprimés. Par exemple, elle concerne le domaine des circuits imprimés flexibles pour capteurs de dispositifs d’analyse d’un gaz ou d’un liquide tel que de l’eau. Etat de la technique On connait déjà, par exemple, des dispositifs d’analyse de l’eau avec des capteurs comprenant deux électrodes métalliques déposées sur un substrat diélectrique, et une couche de nanotubes de carbone déposée entre ces électrodes. Le chlore présent dans l’eau peut-être physisorbé sur des nanotubes de carbone, ce qui en change la résistance électrique. Notamment, la valeur de la résistance de la couche de nanotubes de carbone augmente lorsque la concentration en chlore décroît. Il est ainsi possible de déterminer la concentration en chlore dans l’eau. Ce type de capteurs a des applications dans la surveillance de l’eau de piscine ou de l’eau à boire. Pour pouvoir réutiliser de tels capteurs, il est nécessaire de les rincer soigneusement et de les sécher entre chaque utilisation. Ces opérations rendent l’utilisation de ce type de capteurs peu pratique. Un but de l’invention est de contribuer à la conception et à la fabrication de dispositifs d’analyse de l’eau ne présentant pas l’inconvénient précité. À cette fin, il est proposé un circuit imprimé comprenant un substrat comprenant lui-même un matériau diélectrique sous forme de feuillet. Ce substrat comprend donc une première face principale et une deuxième face principale. La distance entre la première face principale et la deuxième face principale détermine l’épaisseur du substrat. Chacune des première et deuxième faces principales supporte notamment des électrodes formées dans un matériau électriquement conducteur. Ainsi, la première face principale comporte au moins deux électrodes de capteur entre lesquelles est déposée une couche de nanotubes de carbone et la deuxième face principale comporte au moins deux électrodes de dispositif de chauffage entre lesquelles est déposée une couche d’encre de chauffage. Cette couche d’encre de chauffage est au moins en partie déposée en vis-à-vis de la couche de de nanotubes de carbone. Grâce à ces dispositions, il est possible d’appliquer un courant électrique entre les électrodes de dispositif de chauffage. Ce courant électrique traverse l’encre de chauffage. La résistivité de l’encre de chauffage est telle que sa température augmente lorsqu’elle est traversée par le courant électrique. Cette augmentation de température se propage à travers l’épaisseur du substrat pour chauffer la couche de nanotubes de carbone. Il s’ensuit une désorption du chlore (par exemple) adsorbé sur les nanotubes de carbone, rendant ainsi la couche de carbone à ses conditions initiales, prête pour une nouvelle mesure. Par conséquent, un capteur comprenant un circuit imprimé selon l’invention présente l’avantage de ne pas avoir à être rincé et séché entre chaque utilisation. L’application d’un courant entre les électrodes de dispositif de chauffage suffit à réactiver le capteur. Le circuit imprimé selon l’invention comporte en outre l’une des caractéristiques suivantes, considérées isolément et indépendamment les unes des autres, ou en combinaison d’une ou plusieurs autres : - les électrodes de capteur sont formées dans une couche de cuivre ayant une épaisseur comprise entre 10 et 50 micromètres ; d’autres métaux et alliages métalliques peuvent également être utilisés ; par exemple, ces autres métaux et alliages peuvent comprendre de l’argent, de l’aluminium et/ou l’acier; le cuivre avec une épaisseur comprise entre 10 et 50 micromètres a notamment pour avantages d’être compatible avec l’utilisation de substrats souples pour former des circuits flexibles (notamment utilisables dans des procédés de fabrication de bobine à bobine), d’être un bon conducteur thermique, d’être relativement bon-marché et d’être relativement facile à mettre en œuvre (dans un procédé de bobine, avec gravure électrochimique, etc.) ; - la couche de cuivre des électrodes de capteur est recouverte d’une couche de nickel dont l’épaisseur est comprise entre 1 et 10 micromètres ; d’autres métaux et alliages métalliques peuvent également être utilisés ; le nickel avec une épaisseur comprise entre 1 et 10 micromètres a notamment pour avantage de former une bonne couche de protection afin d’isoler le cuivre des phénomènes de corrosions ; il sert également de couche barrière entre le cuivre et l’or (pour éviter des phénomènes de diffusion) ; dans la fourchette d’épaisseur mentionnée ci-dessus, on obtient une bonne « encapsulation » du cuivre ; - la couche de nickel est recouverte d’une couche d’or dont l’épaisseur est comprise entre 10 et 300 nanomètres ; d’autres métaux et alliages métalliques peuvent également être utilisés ; par exemple, ces autres métaux et alliages peuvent comprendre de l’argent, du platine et/ou du palladium ; un dépôt d’or avec une épaisseur de 10-300 nanomètres permet une bonne encapsulation du nickel tout en conservant une conductivité électrique performante et un coût optimisé par rapport aux performances obtenues ; - la couche de nanotubes de carbone (mono canaux ou multi-canaux) déposée entre les deux électrodes de capteur a une épaisseur comprise entre 100 et 800 nm; d’autres matériaux à base de carbone tels que le graphène, le graphite ou le noir de carbone peuvent être utilisés ; l’utilisation de nanotubes de carbone (monocanaux ou multicanaux) avec une épaisseur comprise entre 100 et 800 nanomètres permet d’obtenir une surface 3D active et permet de détecter du chlore libre avec des concentrations de l’ordre du ppm ; - la couche de nanotubes de carbone déposée entre les deux électrodes de capteur occupe une surface comprise entre 15 et 40 millimètres carrés ; avec une telle surface il est possible d’obtenir un recouvrement optimal des électrodes de capteur (interdigitées) ; - la couche de nanotubes de carbone déposée entre les deux électrodes de capteur est du type nanotubes de carbone monoparoi ; les nanotubes de carbone monoparoi présentent une meilleure conductivité électrique que les nanotubes de carbone multi-paroi ; cet avantage permet d’obtenir des signaux électriques plus amplifiés ; de plus ils présentent une meilleure compatibilité avec un substrat souple ; les nanotubes de carbone multi-paroi forment des dépôts plus rigides ; - le matériau diélectrique est du polyimide, dont l’épaisseur est comprise 50 et 100 micromètres ; le polyimide a pour avantage d’être un substrat stable et résistant au milieu organique et inorganique ; il résiste également à des températures pouvant aller jusqu’à 200°C ; la gamme d’épaisseurs mentionnée ci-dessus permet d’utiliser du polyimide comme substrat souple compatible avec une mise en œuvre de bobine à bobine (qui est elle-même rapide, reproductible et stable) ; - l’épaisseur de l’encre de chauffage est comprise entre 10 et 60 micromètres ; cette gamme d’épaisseurs permet d’obtenir un système chauffant homogène ; - la surface occupée par l’encre de chauffage est comprise entre 20 et 80 millimètres carrés ; avec cette gamme d’épaisseurs on obtient une bonne superposition de la surface du capteur situé sur la face opposée du substrat ; ainsi, lorsque l’encre de chauffage est chauffée, le transfert thermique se fait de façon homogène et permet de désorber avec efficacité le chlore libre (par exemple) adsorbé sur les nanotubes de carbone. Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un circuit imprimé selon l’invention, dans lequel l’encre de chauffage est déposée par sérigraphie ou par dispense ; La sérigraphie ou la dispense, permet de réaliser un dépôt sélectif et garantit une bonne maitrise de l’épaisseur déposée. Eventuellement, selon ce procédé, la couche de nanotubes de carbone est déposée par impression par jet d’encre. Cette technique permet de déposer une faible quantité de matière de façon sélective. Elle est également adaptée au dépôt d’encres dont la viscosité est très faible (proche de l’eau). C’est le cas notamment des nanotubes de carbone dont le dépôt par sérigraphie est compliqué voire impossible. La dispense (micro ou nano-dispense), dont le principe du dépôt et les avantages sont proches de ceux du jet d’encre, peut également être envisagée pour former la couche de nanotubes de carbone. Brève description des figures D’autres aspects, buts et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, ainsi qu’à l’aide des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non-limitatifs et sur lesquels : – FIG. 1 est une coupe schématique d’une portion d’un exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé selon l’invention, – FIG. 2 représente schématiquement, vue par sa deuxième face principale, un exemple de circuit imprimé selon l’invention, - FIG. 3 représente schématiquement une portion de la deuxième face principale du circuit imprimé de la FIG. 2 , – FIG. 4 représente schématiquement, vue par sa première face principale, un exemple de circuit imprimé des Figures 2 et 3, - FIG. 5 représente schématiquement une portion de la première face principale du circuit imprimé de la FIG. 4 , – FIG. 6 représente schématiquement le transfert de chaleur à travers une portion, vue en coupe, d’un exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé selon l’invention, et - FIG. 7 représente schématiquement plusieurs étapes d’un procédé de mise en œuvre d’un exemple de mode de réalisation d’un circuit imprimé selon l’invention. Description détaillée L’invention est exemplifiée ci-dessous dans le cadre d’un circuit imprimé destiné à la fabrication d’un capteur pour l’analyse d’un liquide tel que de l’eau. Mais, l’invention peut également concerner un circuit imprimé destiné à la fabrication d’un capteur pour l’analyse d’un gaz. Selon l’exemple du mode de réalisation d’un circuit imprimé représenté sur les Figures 1 à 5, celui-ci est un circuit imprimé de type « double face ». Ce circuit se présente donc sous forme d’une structure multicouche comprenant un matériau diélectrique sous forme de feuillet avec deux faces principales (une première face principale et une deuxième face principale). Des circuits électriques sont alors formés sur chacune des deux faces principales. Par exemple, ces circuits comprennent des pistes conductrices 20, des contacts 21, des électrodes 2, 3, etc. formés dans une couche de matériau électriquement conducteur. Le feuillet de matériau diélectrique est donc utilisé comme substrat 1 pour les circuits électriques formés sur chacune des deux faces principales. Sur les figures, est représentée une portion de circuit comprenant essentiellement des électrodes : deux électrodes de capteur 2 sur la première face principale et deux électrodes de dispositif de chauffage 3 sur la deuxième face principale. Par exemple, le feuillet de matériau diélectrique comprend au moins l’un des matériaux suivants : polyimide, verre-epoxy, polyéthylène téréphtalate, etc. Dans l’exemple de mode de réalisation illustré sur la FIG. 1 , le feuillet de matériau diélectrique constitutif du substrat 1 est un feuillet de polyimide de 75 µm d’épaisseur. Par exemple, chaque couche de matériau électriquement conducteur est formée d’un métal, ou plusieurs métaux. Par exemple, ce ou ces métaux sont compris dans la liste suivante : cuivre, aluminium, alliage de cuivre, alliage d’aluminium, acier, etc. Le matériau électriquement conducteur de la première face principale n’est pas nécessairement le même que celui de la deuxième face principale. Dans l’exemple de mode de réalisation illustré sur la FIG. 1 , chacune des première et deuxième face principale du substrat 1 comporte des électrodes 2,3 réalisées dans des couches de cuivre de 18 µm d’épaisseur. Par exemple, les électrodes de capteur 2 et de chauffage 3 sont réalisées dans les couches de cuivre à l’aide de techniques de photolithographie et gravure électrochimique. Par exemple, comme illustré par les figures 2à 5, les électrodes de capteur 2 et de chauffage 3 sont réalisées sous forme de peignes interdigités. Par exemple, la distance entre deux doigts de ces peignes est comprise entre 50 et 200 micromètres. Dans l’exemple illustré par les figures 2 à 5, les motifs en forme de peignes interdigités définissant les électrodes de capteur 2 et les électrodes de chauffage 3 sont identiques. Cependant, selon des variantes d’autres formes d’électrodes peuvent être envisagées et celles-ci peuvent être identiques ou différentes pour les électrodes de capteur 2 et les électrodes de chauffage 3. Une piste de mesure 8 est reliée à chacune des électrodes de capteur 2. Une piste d’amenée de courant 9 est reliée à chacune des électrodes de chauffage 3. Par exemple, au moins une couche de matériau électriquement conducteur est éventuellement au moins partiellement recouverte d’une ou plusieurs couches de métal (par exemple, du nickel, de l’or, etc.). Le dépôt de cette, ou de ces couches de métal est par exemple réalisée par voie électrochimique. Dans l’exemple de mode de réalisation illustré sur la FIG. 1 , une couche de nickel 4 de 4 micromètres d’épaisseur est déposée par voie électrochimique sur chacune des électrodes de capteur 2, et une couche d’or 5 de 200 nanomètres d’épaisseur est déposée par voie électrochimique sur la couche de nickel 4. Une couche de matériau adhésif (non représentée) peut éventuellement être utilisée pour qu’une couche de matériau électriquement conducteur adhère sur au moins l’une des deux faces principales du feuillet de matériau diélectrique. Par exemple, la couche de matériau adhésif est constituée d’une résine époxy. La structure multicouche est alors réalisée en laminant ensemble un feuillet de matériau diélectrique et une couche de matériau électriquement conducteur sur chacune des première et deuxième faces principales, avec éventuellement une couche de matériau adhésif entre le feuillet de matériau diélectrique et la couche de matériau électriquement conducteur, de l’une, ou de l’autre, ou des deux faces principales du feuillet de matériau diélectrique. Une couche d’encre de chauffage 6 est déposée sur la deuxième face principale, entre les électrodes de dispositif de chauffage 3 et au moins en partie sur celles-ci. Par exemple, cette encre de chauffage 6 est déposée par sérigraphie avec une épaisseur de 20 micromètres. Comme on peut le voir sur la FIG. 3 , la zone recouverte par l’encre de chauffage 6 correspond essentiellement à une zone comprenant les peignes interdigités (autrement dit, la zone recouverte par l’encre de chauffage 6 ne déborde que peu, ou pas, sur le reste du circuit imprimé). L’encre de chauffage 6 est par exemple composé d’une substance comprise dans la liste suivante : Liant polymère, noir de carbone, argent, acétate d'éthyle. Une couche de nanotubes de carbone 7 est déposée sur la première face principale, entre les électrodes de capteur 2. Par exemple, cette couche de nanotubes de carbone 7 est déposée par impression par jet d’encre, avec une épaisseur de 5 micromètres. Cette couche de nanotubes de carbone 7 remplit au moins partiellement l’espace entre les doigts des peignes interdigités définissant les électrodes de capteur 2. Les nanotubes de carbone occupent au minimum une surface de 15 millimètres carrés sur le capteur formé par les électrodes de capteur 2. Comme illustré par la FIG. 6 , après l’utilisation du circuit selon l’invention pour déterminer la concentration d’une substance physisorbée sur la couche de nanotubes de carbone 7, un courant et envoyé à travers les électrodes de chauffage 3, afin que la résistivité de l’encre de chauffage 6 produise une élévation de température qui se propage à travers le substrat 1 pour provoquer la désorption de cette substance et le séchage de la couche de nanotubes de carbone 7. Par exemple, pour une encre de chauffage 6 ayant une résistivité de 12 Ω/m², déposée entre des doigts des électrodes de capteur 2 espacés de 150 micromètres, et déposée sur une épaisseur de 50 nanomètres, un courant de 2 ampères est appliqué pendant 3 minutes, pour obtenir une réactivation de la couche de nanotubes de carbone 7. La FIG. 7 illustre un exemple de mise en œuvre d’un capteur comprenant un circuit imprimé selon l’invention : une mesure initiale de la résistance est réalisée entre les électrodes de capteurs 2, avant mise en contact du capteur avec la substance à détecter, puis la résistance est à nouveau réalisée entre ces mêmes électrodes de capteur 2 alors que le capteur est plongé dans un liquide 10 contenant la substance à détecter (par exemple du chlore dans une solution aqueuse chlorée à 5ppm). La différence des résistances ainsi mesurées permet de déterminer la concentration de cette substance. Un chauffage est alors opéré à l’aide des électrodes de chauffage 3, pour désorber la substance dont la concentration a été mesurée (par exemple les 5ppm de chlore) et pour sécher la couche de nanotubes de carbone 7, afin de la réactiver. Le capteur est alors à nouveau disponible pour une nouvelle mesure. Par exemple, une nouvelle mesure initiale de la résistance est réalisée entre les électrodes de capteurs 2, avant une nouvelle mise en contact du capteur avec une substance à détecter, puis la résistance est à nouveau réalisée entre ces mêmes électrodes de capteur 2 alors que le capteur est plongé dans un autre liquide 11 contenant la substance à détecter (par exemple du chlore dans une solution aqueuse chlorée à 2ppm). La nouvelle différence des résistances ainsi mesurées permet de déterminer la nouvelle concentration de cette substance. Le circuit imprimé selon l’invention a l’avantage de pouvoir être aisément intégré dans un dispositif de capteur portatif (ses dimensions et notamment son épaisseur sont relativement faibles). Il peut être utilisé pour diverses applications. Il est peu coûteux à réaliser. En effet, la flexibilité du substrat 1 et des différentes couches conductrices formant le circuit imprimé selon invention est adapté pour une mise en œuvre dans des procédés de fabrication de rouleaux à rouleaux. Ceci permet une mise en œuvre de procédés produisant rapidement des volumes importants de circuits imprimés. Circuit imprimé comprenant un substrat (1) comprenant un matériau diélectrique sous forme de feuillet, le substrat (1) comprenant une première face principale et une deuxième face principale, la distance entre la première face principale et la deuxième face principale déterminant l’épaisseur du substrat, chacune des première et deuxième faces principales supportant des électrodes (2, 3) formées dans un matériau électriquement conducteur, caractérisé par le fait que la première face principale comporte au moins deux électrodes de capteur (2) entre lesquelles est déposée une couche de nanotubes de carbone (7) et la deuxième face principale comporte au moins deux électrodes de chauffage (3) entre lesquelles est déposée une couche d’encre de chauffage (6), cette couche d’encre de chauffage (6) étant au moins en partie déposée en vis-à-vis de la couche de de nanotubes de carbone (7). Circuit imprimé selon la revendication 1, dans lequel les électrodes de capteur (2) sont formées dans une couche de cuivre ayant une épaisseur comprise entre 10 et 50 micromètres. Circuit imprimé selon la revendication 2, dans lequel la couche de cuivre des électrodes de capteur (2) est recouverte d’une couche de nickel (4) dont l’épaisseur est comprise entre 1 et 10 micromètres. Circuit imprimé selon la revendication 3, dans la couche de nickel (4) est recouverte d’une couche d’or (5) dont l’épaisseur est comprise entre 10 et 300 nanomètres. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de nanotubes de carbone (7) déposée entre les deux électrodes de capteur (2) a une épaisseur comprise entre 100 et 800 nanomètres. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de nanotubes de carbone (7) déposée entre les deux électrodes de capteur (2) occupe une surface comprise entre 15 et 40 millimètres carrés. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la couche de nanotubes de carbone (7) déposée entre les deux électrodes de capteur (2) est du type nanotubes de carbone monoparoi. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau diélectrique est du polyimide, dont l’épaisseur est comprise entre 50 et 100 micromètres. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur de l’encre de chauffage (6) est comprise entre 10 et 60 micromètres. Circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la surface occupée par l’encre de chauffage (6) est comprise entre 20 et 80 millimètres carrés. Procédé de fabrication d’un circuit imprimé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’encre de chauffage (6) est déposée par sérigraphie. Procédé de fabrication d’un circuit imprimé selon la revendication précédente, dans lequel la couche de nanotubes de carbone (7) est déposée par impression par jet d’encre.