Prototypage rapide et peu coûteux de capteurs pour la technologie portable

Les ingénieurs de l'UC Berkeley ont mis au point une nouvelle technique de fabrication de capteurs pour la technologie portable qui permet aux chercheurs médicaux de tester de nouveaux prototypes beaucoup plus rapidement et à un coût bien inférieur à celui des méthodes existantes.

La technique remplace la photolithographie, qui est un processus en plusieurs étapes utilisé pour fabriquer des puces informatiques dans des salles blanches. La nouvelle méthode utilise un découpeur de vinyle à 200 $, ce qui réduit de près de 90 % le temps de fabrication de petits lots de capteurs tout en réduisant les coûts de près de 75 %, a déclaré le Dr Renxiao Xu.

"La plupart des chercheurs travaillant sur les dispositifs médicaux n'ont aucune expérience en photolithographie", a déclaré Xu. "Notre méthode leur permet de modifier facilement et à peu de frais la conception de leur capteur sur un ordinateur, puis d'envoyer le fichier au découpeur de vinyle pour qu'il le réalise."

Les capteurs portables sont utilisés par les chercheurs pour recueillir des données médicales auprès des patients sur de longues périodes. Ils vont des pansements adhésifs sur la peau aux implants extensibles sur les organes.

Ces appareils se composent de fils plats, appelés interconnexions, ainsi que de capteurs, de sources d'alimentation et d'antennes pour communiquer des données aux applications de smartphone ou à d'autres récepteurs. Pour conserver une fonctionnalité complète, ils doivent s'étirer, se plier et se tordre, avec la peau et les organes sur lesquels ils sont montés, sans générer de contraintes qui compromettraient leurs circuits.

Pour obtenir une flexibilité à faible contrainte, les ingénieurs utilisent une structure « îlot-pont », a déclaré Xu. Les îles abritent des composants électroniques et de capteurs rigides, tels que des résistances commerciales, des condensateurs et des composants synthétisés en laboratoire tels que des nanotubes de carbone. Les ponts relient les îles entre elles. Leurs formes en spirale et en zigzag s'étirent comme des ressorts pour s'adapter aux grandes déformations.

Dans le passé, les chercheurs ont construit ces systèmes de ponts-îlots à l'aide de la photolithographie, un processus en plusieurs étapes qui utilise la lumière pour créer des motifs sur des tranches de semi-conducteurs.

La nouvelle technique est plus simple, plus rapide et plus économique, en particulier pour la fabrication d'une ou deux douzaines d'échantillons dont les chercheurs médicaux ont généralement besoin pour les tests.

Le processus commence par la fixation d'une feuille adhésive de polyéthylène téréphtalate (PET) sur un substrat en Mylar (PET à orientation biaxiale), bien que d'autres plastiques fonctionnent également, a déclaré Xu.

Un découpeur de vinyle façonne ensuite la structure en utilisant deux types de coupes. La première, la coupe tunnel, coupe uniquement la couche supérieure de PET mais laisse le substrat Mylar intact. La seconde, la coupe traversante, découpe les deux couches.

Cela suffit pour produire des capteurs en pont d'îlot. Des découpes en tunnel sont utilisées dans la couche supérieure de PET adhésif pour tracer le chemin des interconnexions ; les segments de PET coupés sont ensuite décollés, laissant derrière eux le motif d'interconnexions sur la surface de Mylar exposée.

Ensuite, toute la feuille de plastique est recouverte d'or - ou éventuellement d'un autre métal conducteur. La couche supérieure de PET restante est décollée, laissant une surface en Mylar avec des interconnexions bien définies, ainsi que des ouvertures métalliques exposées et des plots de contact sur les îlots.

Des éléments capteurs sont ensuite attachés aux plots de contact. Pour les composants tels que les résistances, une pâte conductrice et une plaque chauffante commune sont utilisées pour sécuriser la liaison. Certains composants synthétisés en laboratoire, tels que les nanotubes de carbone, peuvent être appliqués directement sur les coussinets sans aucun chauffage.

Une fois cette étape terminée, le découpeur de vinyle utilise des coupes traversantes pour sculpter les contours du capteur, y compris les spirales, les zigzags et d'autres caractéristiques.

Les chercheurs ont produit une variété d'éléments extensibles et de capteurs pour démontrer la technique. L'un se monte sous le nez et mesure la respiration en fonction des minuscules changements de température qu'il crée entre l'avant et l'arrière du capteur.

Un autre prototype consiste en un ensemble de supercondensateurs résistants à l'eau, qui stockent l'énergie électrique comme une batterie mais la libèrent plus rapidement.

"Nous pourrions également créer des capteurs plus complexes en ajoutant des condensateurs ou des électrodes pour effectuer des mesures d'électrocardiogramme ou des accéléromètres et des gyroscopes de la taille d'une puce pour mesurer le mouvement", a déclaré Xu.

La taille, cependant, est la principale limitation de la découpe par capteur. Ses plus petites caractéristiques ont une largeur de 200 à 300 micromètres, tandis que la photolithographie peut produire des caractéristiques de plusieurs dizaines de micromètres. Mais la plupart des capteurs portables ne nécessitent pas de fonctionnalités aussi fines, a déclaré Xu.

Les chercheurs pensent que cette technique pourrait un jour devenir une fonctionnalité standard dans tous les laboratoires étudiant des capteurs portables ou de nouvelles maladies. Les prototypes peuvent être conçus à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) puissant ou d'applications plus simples spécialement conçues pour les imprimantes de vinyle.