Q&R :Fabrication ultra-rapide de capteurs portables

Ying Zhong, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université de Floride du Sud, et son équipe ont inventé une nouvelle façon d'imprimer des capteurs portables sans liants polymères. Ils appellent leur produit e-skin.

Fiches techniques :Qu'est-ce qui vous a donné l'idée d'utiliser la force électrostatique pour imprimer des capteurs flexibles ?

Professeur Ying Zhong : Nous avions des collaborateurs qui fabriquaient des appareils flexibles et les imprimaient par sérigraphie. Cela signifie que vous devez mélanger des poudres fonctionnelles avec des liants, les chauffer et attendre qu'elles sèchent, ce qui prend beaucoup de temps. Nous cherchions donc des moyens d'imprimer plus rapidement, sans chauffage ni séchage.

J'avais travaillé sur un autre projet intéressant :utiliser la décharge corona pour traiter la surface de films polymères. Nous avons réalisé que la couronne pouvait générer un type unique de champ électrique puissant que nous pourrions utiliser pour soulever de petits objets. Cela nous a amenés à nous demander s'il serait possible de placer des poudres sèches sous le film pour attirer les poudres directement sur le substrat - nous l'avons essayé et cela a fonctionné.

Nous avons découvert un problème et nous nous sommes rendu compte qu'une technologie sur laquelle nous travaillions déjà pouvait être la solution.

Fiches techniques : Je pense que c'est ainsi que les progrès technologiques se produisent souvent. Ma prochaine question est qu'une fois que les particules sont attirées par le substrat, comment y sont-elles retenues ?

Zhong : Comme nous l'avons décrit dans notre article publié, nous utilisons du ruban médical de huit micromètres d'épaisseur, qui a un revêtement adhésif pour retenir les particules. Il est si fin que vous ne le sentirez pas lorsque vous le collerez sur votre peau.

Fiches techniques : Comment intégreriez-vous différents types de capteurs lors de la fabrication ?

Zhong : Cette technologie d'impression est « universelle » — elle peut imprimer différents types de matériaux fonctionnels. Ainsi, par exemple, nous pouvons utiliser du graphène ou des nanotubes de carbone (NTC), qui modifient la résistivité pour refléter le changement de contrainte. Le mécanisme de travail est que la contrainte modifie la distance entre les particules, provoquant un changement de résistance qui reflète l'ampleur de la contrainte dans le capteur.

Nous avons également rapporté un capteur de température à base de poudres thermochromiques dans notre article. Comme je l'ai dit, il s'agit d'une technologie d'impression universelle — vous pouvez imprimer différents types de matériaux fonctionnels. Maintenant, nous démontrons que nous pouvons imprimer des tatouages ​​sensibles à la température qui changent de couleur lorsque la température change. Nous essayons également d'imprimer des matériaux qui peuvent être sensibles à l'humidité et à différents types de gaz tels que l'ammoniac, le monoxyde de carbone et autres.

Fiches techniques : Avez-vous réfléchi à la manière dont cela pourrait être mis en œuvre commercialement ? Il me semble qu'il faudrait construire un tout autre type d'imprimante 3D.

Zhong : Oui, nous collaborons actuellement avec Jabil, inc. pour construire un système roll-to-roll, qui peut vous permettre de fabriquer des appareils à grande vitesse. Comme nous n'utilisons pas de liants, nous n'avons pas besoin d'appliquer de la chaleur et d'attendre que le matériau sèche. Cela signifie qu'en utilisant ce système rouleau à rouleau pour imprimer - pour générer la force électrostatique - nous pouvons fabriquer des dispositifs flexibles et même des structures 3D à un rythme rapide et à faible coût.

Fiches techniques : Est-il difficile de générer et de gérer la haute tension nécessaire pour produire le corona ?

Zhong : Bien que nous ayons besoin de 20 à 30 kilovolts pour générer la couronne, le courant est très faible, inférieur à 0,1 mA. Notre équipement de laboratoire consomme moins de 2 watts d'énergie. Il est très économe en énergie.

Fiches techniques : Est-ce un problème de s'assurer que la haute tension ne peut pas causer de dommages ?

Zhong : Eh bien, bien sûr, vous devez gérer le système et couvrir toutes les zones conductrices environnantes. D'après nos observations, tant que vous couvrez le support de l'électrode avec des couches isolantes, cela devrait très bien fonctionner ; nous n'avons pas rencontré trop de problèmes avec cela.

Fiches techniques : Quel type de matériau utilisez-vous pour la couverture ?

Zhong : Pour l'instant, dans notre laboratoire, nous utilisons simplement des rubans isolants. À l'avenir, nous prévoyons de créer un revêtement de surface mieux contrôlé ou des supports isolants, ce qui peut être fait facilement. On peut utiliser des polymères pour réaliser le revêtement, et des imprimantes 3D pour fabriquer le prototype. Nous avons plusieurs projets liés aux polymères dans mon laboratoire, donc cela devrait être facile.

Fiches techniques : Avez-vous d'autres applications en tête en plus de votre capteur de contrainte « e-skin » ?

Zhong : Oui, par exemple, nous avons discuté avec une entreprise de la fabrication de tapis intelligents à détection de contrainte, ce qui devient pratique car la nôtre est une technologie de fabrication très peu coûteuse et ultra-rapide qui peut être utilisée pour imprimer des produits de grande surface. L'idée est de produire un tapis qui pourrait identifier combien de personnes se tiennent dessus. Vous pourriez alors, par exemple, ajuster la consommation d'énergie du système CVC en fonction du nombre d'occupants dans une pièce.

Nous collaborons également avec un collègue sur une application de réadaptation physique. Notre collègue travaille avec des personnes qui ont du mal à contrôler le comportement de leurs jambes. Parce que notre capteur est ultra-mince, il est très confortable et vous pouvez le rendre assez grand pour le porter. Cela pourrait être utilisé pour les aider à identifier comment ils peuvent mieux contrôler le comportement de leurs jambes.

Il existe de nombreuses applications futures possibles. Par exemple, vous pouvez l'attacher à la main d'un robot. Si vous voulez qu'il capte quelque chose, il peut détecter la pression appliquée et la surface avec laquelle il est en contact.

Fiches techniques : Avez-vous une estimation approximative du moment où cela pourrait être prêt pour un usage commercial ?

Zhong : En ce moment, nous travaillons avec Jabil pour mettre en place un petit système roll-to-roll dans notre laboratoire. Si cela fonctionne bien, nous l'installerons à Jabil et les aiderons à fabriquer des capteurs en grand nombre ou de grandes tailles. Cela peut prendre trois à cinq ans, mais surtout de nos jours, c'est difficile à prévoir.

Une version éditée de cette interview est parue dans le numéro de janvier 2022 de Tech Briefs.