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International audience; The breakdown voltage (Vb) of gases can be reasonably estimated using Paschen's law, which is based on assumptions such as a perfectly uniform electric field, and infinite electrode size. This analytical approach has demonstrated remarkable capability in redicting Vb in numerous cases, by scaling it by the product of pressure and nter-electrode distance (p·d). This description is quite efficient and convenient over wide ranges of pressure and gap distance. However, the robustness of Paschen's law in predicting consistent values of Vb is severely compromised at gap distances shorter than typically 1 micrometer at atmospheric pressure. Several studies have provided experimental, theoretical, and simulation evidences highlighting these limitations. This raised significant concerns, both theoretical and practical, about the insulation properties of gases at short distances. This study focuses on experimentally investigating Vb of air in short electrode gaps, ranging from 100 nm to 6 μm. The electrode system consists of a silicon wafer coated with gold, connected to ground. The anode connected to high voltage is a sharp CuBe needle coated with gold, with 20 μm tip radius of curvature. The gap distance is controlled by a piezoelectric actuator. Ambient air is used at atmospheric pressure, allowing for comparisons with data from existing literature. Complementary experiments are also performed in a closed chamber allowing to vary the pressure from 10-4 mbar to 3.0 bar, and control the gas purity and water content.

7èmes Journées Scientifiques 2022 GT Matériaux Diélectriques, GdR SEEDS, Grenoble"Décharges électriques et matériaux isolants : Phénomènes et Applications"; National audience; La rupture dielectrique d’un gaz est un aspect critique pour les applications reposant sur l’isolation électrique telles qu’utilisée dans les dispositifs de coupures électriques ou autres systèmes de contact. La tension de claquage peut elle, être estimée en bonne approximation grâce à la loi de Paschen établie il y a plus d’un siècle. Cette dernière est basée sur des fondements théoriques simples moyennant un certains nombres d’hypothèses (champ électrique rigoureusement uniforme, dimensions infinies des électroqdes, rugosité de surface nulle…). Cette approche analytique a montré sa capacité remarquable de prédiction de la tension de claquage pour un nombre incalculable de systèmes non-idéaux. S’artilant autour du produit pression·distance (p·d), la loi de Paschen s’exploite sur une large échelle de pression couplée à des distances relativement adaptées à leurs utilisations; des distances macroscopiques. Indépendament des incertitudes autours des constantes présentes dans formalisme mathématique, la fiabilité que l’on connait de cette loi faillie dès lors que les distances inter-électrodes se rapprochent du micromètre et en dessous. Plusieurs études ont téhoriques et expérimentales ont déjà mis en évidence cette limitation qui remet en question le caratère isolant d’un gaz même à des préssions de lors de l’atmosphère ou au-dessus.Cette contribution rapporte les premiers résultats du d’étude expérimentale visant à mieux comprendre les mécanismes de claquages lors de très faibles distances inter-électrodes. Les distances typiques sont de l’ordre de la centaine de nanomètres entre une pointe de rayon de courbure de quelques micromètres et un plan de faible rugosité relativement au gap. Des conditions expérimentales spécifiques permettront de mettre en évidence la possibilité d’initier un claquage à des tensions de 30V ce qui ouvre de nouvelles perspectives notamment dans le domaine de microsystèmes de type MEMS.