KNOXVILLE, TN, 8 août 2025 /24-7PressRelease/ -- Des chercheurs ont développé un nouveau type d'accéléromètre nanoélectromécanique (NEMS) utilisant des membranes de graphène double couche entièrement clampées avec des masses d'épreuve en silicium attachées. En réduisant la largeur de la tranchée à seulement 1 μm, ils ont significativement amélioré le rendement des dispositifs, la robustesse mécanique et la durée de vie opérationnelle, tout en maintenant une haute sensibilité. Leurs résultats montrent que la largeur de la tranchée et la géométrie de la masse d'épreuve impactent de manière critique la performance du capteur, offrant des directives claires pour l'optimisation des capteurs à base de graphène de nouvelle génération. Cette percée ouvre la porte à des accéléromètres ultra-compacts et hautement intégrés dans des applications allant de l'électronique portable à la robotique médicale et aux instruments de précision.

Les propriétés mécaniques et électriques exceptionnelles du graphène en ont fait un matériau très prometteur pour les dispositifs nanoélectromécaniques (NEMS). Bien que des structures de graphène suspendu aient été explorées dans les capteurs de pression et les résonateurs, leur application dans les accéléromètres reste limitée. Un défi majeur a été d'intégrer du graphène atomiquement mince avec une masse d'épreuve pour former des structures de détection masse-ressort sans sacrifier le rendement ou la robustesse du dispositif. Les conceptions précédentes utilisant des tranchées de 2 à 4 μm de large ont souvent rencontré des problèmes de fabrication et de durabilité, limitant leur utilité pratique. Face à ces défis, il est urgent de développer des accéléromètres à base de graphène évolutifs, durables et hautement sensibles grâce à l'optimisation structurelle et à l'innovation en microfabrication.

Une équipe de recherche de l'Institut de technologie de Pékin et de l'Université du Nord de la Chine a dévoilé un accéléromètre NEMS haute performance basé sur des membranes de graphène double couche avec des masses d'épreuve intégrées en SiO₂/Si. Publié (DOI: 10.1038/s41378-025-00969-5) dans Microsystems & Nanoengineering le 28 mai 2025, l'étude présente une conception innovante qui utilise des tranchées ultra-étroites de 1 μm pour suspendre les membranes de graphène. Les résultats de l'équipe démontrent une amélioration de la robustesse mécanique, des performances électriques et du rendement des dispositifs, offrant une solution évolutive pour la détection d'accélération miniaturisée et haute sensibilité.

L'accéléromètre NEMS proposé utilise une structure de membrane de graphène double couche entièrement clampée, suspendue au-dessus de tranchées de 1 μm de large avec une masse d'épreuve en SiO₂/Si attachée. Cette conception améliore la robustesse mécanique en réduisant les défauts aux joints de grains et augmente le rendement de fabrication à 90%, surpassant les modèles précédents avec des tranchées plus larges. Trois dispositifs avec des largeurs de tranchée et des tailles de masse d'épreuve variables ont été testés sous des accélérations allant jusqu'à 2 g à 160 Hz. La plus petite masse d'épreuve a donné la plus haute réactivité, tandis que les tranchées plus larges ont produit des signaux plus forts mais ont compromis la stabilité.

L'analyse par éléments finis (FEA) et l'indentation AFM ont montré que les structures en graphène pouvaient supporter des forces extrêmes (équivalentes à 100 000 g) sans rupture. Des tests à long terme ont confirmé la stabilité électrique des dispositifs même après six mois, soutenant leur utilisation dans des applications durables et fiables. Le processus de fabrication, entièrement compatible avec les technologies des semi-conducteurs, comprend l'oxydation thermique, la gravure des tranchées, le transfert de graphène double couche et l'élimination de la couche sacrificielle. Ces résultats démontrent un compromis critique entre la largeur de la tranchée, la taille de la masse d'épreuve et la performance globale du capteur, ouvrant la voie à des conceptions NEMS en graphène sur mesure.

"Notre étude montre que l'optimisation de la structure de la membrane en graphène et de la géométrie de suspension peut conduire à des améliorations substantielles dans la fiabilité et le rendement du capteur," a déclaré le professeur Xuge Fan, auteur correspondant de l'étude. "La largeur de tranchée d'un micron non seulement assure l'intégrité structurelle mais soutient également une fabrication évolutive pour des applications réelles. Ces accéléromètres à base de graphène pourraient changer la donne dans les systèmes portables, biomédicaux et aérospatiaux de nouvelle génération où la taille, la sensibilité et la durabilité sont primordiales."

Ces accéléromètres NEMS en graphène offrent une plateforme prometteuse pour les technologies de détection miniaturisées dans les dispositifs portables, les implants biomédicaux et la robotique de précision. Leur facteur de forme compact, leur haute sensibilité et leur compatibilité de fabrication les rendent idéaux pour l'intégration dans les dispositifs de l'Internet des objets (IoT) et les systèmes médicaux intelligents. L'approche de fabrication évolutive permet également une production de masse avec un rendement élevé, réduisant les coûts et améliorant l'accessibilité. Les recherches futures exploreront l'intégration de ces capteurs avec des systèmes de communication sans fil, la détection multi-axes et le traitement intelligent du signal pour étendre davantage leur utilité dans les applications de détection haute performance et faible consommation.

Références
DOI
10.1038/s41378-025-00969-5

URL de la source originale
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00969-5

Informations sur le financement
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subventions nos 62171037 et 62088101), la Fondation des sciences naturelles de Pékin (4232076), le Fonds national pour les jeunes scientifiques excellents (à l'étranger), le programme Teli Young Fellow de l'Institut de technologie de Pékin (2021TLQT012).

À propos de Microsystems & Nanoengineering
Microsystems & Nanoengineering est un journal international en libre accès uniquement en ligne, consacré à la publication de résultats de recherche originaux et de revues sur tous les aspects des systèmes micro et nano électromécaniques, de la recherche fondamentale à la recherche appliquée. Le journal est publié par Springer Nature en partenariat avec l'Institut de recherche sur l'information aérospatiale, Académie chinoise des sciences, soutenu par le Laboratoire clé d'État de technologie des transducteurs.

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