Sébastien Grondel, Eric Cattan, Caroline Soyer, John D. W. Madden, Frédéric Vidal, Kätlin Rohtlaid, Cédric Plesse, Giao T. M. Nguyen, Tan Ngoc Nguyen, Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Département Opto-Acousto-Électronique - UMR 8520 (IEMN-DOAE), Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), Matériaux et Acoustiques pour MIcro et NAno systèmes intégrés - IEMN (MAMINA - IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Laboratoire de Physico-chimie des Polymères et des Interfaces (LPPI), Fédération INSTITUT DES MATÉRIAUX DE CERGY-PONTOISE (I-MAT), Université de Cergy Pontoise (UCP), Université Paris-Seine-Université Paris-Seine-Université de Cergy Pontoise (UCP), Université Paris-Seine-Université Paris-Seine, INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France), Institut National des Sciences Appliquées (INSA), University of British Columbia (UBC), European Project: 642328,H2020,H2020-MSCA-ITN-2014,ArcInTex ETN(2015), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), and Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-INSA Institut National des Sciences Appliquées Hauts-de-France (INSA Hauts-De-France)-Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN)
Electronic conducting polymer based-actuators have attracted lots of interest as alternative materials to traditional piezoelectric and electrostatic actuators. Their specific characteristics such as their low operating voltages and large strains should allow them to adapt better to soft microstructures. Recently, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) e based ionic actuators have overcome some initial stumbling blocks to widespread applications in the microfabricated devices field. These trilayer bending microactuators were fabricated (i) by sequential stacking, using a layer by layer polymerization (LbL) of conducting polymer electrodes and a solid polymer electrolyte and (ii) by micro-patterning, using standard microsystems processes. While microfabrication processing of a trilayer actuator, involving no manual handling has been demonstrated, their bending performances remain limited for practical applications. Moreover, the complete characterization of their electrical, electrochemical, and mechanical properties has never been investigated. This paper describes the optimization of PEDOT electroactive electrodes synthesized with a vapor phase polymerization process. Influence of synthesis parameters on thickness, electronic conductivity and volumetric charge density were studied to determine the guidelines for synthesizing highly efficient electrodes. Afterwards, these parameters are used to guide the LbL synthesis process of ultrathin trilayer actuators. Electrochemical and mechanical properties of the resulting microactuators have been thoroughly characterized. Bending deformation and output force generation have been measured and reached 0.5% and 11 mN respectively. This constitutes the first characterization of ionic PEDOT-based microactuators operating in air of such a thin thickness (11 mm dry and 18.3 mm swelled in 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide (EMImTFSI)). These actuators and their actuation properties are promising for future soft microsystem devices where the use of polymer actuators should be essential.