Prototypage rapide et peu coûteux de capteurs pour la technologie portable

Des ingénieurs de UC Berkeley ont développé une nouvelle technique pour fabriquer des capteurs pour la technologie portable qui permet aux chercheurs médicaux de tester de nouveaux prototypes beaucoup plus rapidement et à un coût bien inférieur aux méthodes existantes.

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

« La plupart des chercheurs travaillant sur des dispositifs médicaux n'ont pas de formation en photolithographie », a dit Xu. « Notre méthode rend facile et peu coûteux pour eux de changer leur design de capteur sur un ordinateur et d'envoyer le fichier au découpeur vinyle pour le fabriquer. »

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

Ces dispositifs se composent de fils plats, appelés interconnects, ainsi que de capteurs, de sources d'alimentation et d'antennes pour communiquer les données aux applications smartphone ou autres récepteurs. Pour maintenir une fonctionnalité complète, ils doivent s'étirer, fléchir 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 « île-pont », a dit Xu. Les îles abritent l'électronique rigide et les composants de capteur, tels que des résistances commerciales, des condensateurs et des composants synthétisés en laboratoire comme les nanotubes de carbone. Les ponts relient les îles entre elles. Leurs formes en spirale et en zigzag s'étirent comme des ressorts pour accommoder de grandes déformations.

Dans le passé, les chercheurs ont construit ces systèmes île-pont en utilisant la photolithographie, un processus en plusieurs étapes qui utilise la lumière pour créer des motifs sur des wafers semi-conducteurs.

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

Le processus commence par l'attache d'une feuille adhésive de polyéthylène téréphtalate (PET) sur un substrat Mylar (PET biaxialement orienté), bien que d'autres plastiques fonctionneraient aussi, a dit Xu.

Un découpeur vinyle façonne alors la structure en utilisant deux types de coupes. La première, la coupe tunnel, tranche seulement la couche supérieure de PET mais laisse le substrat Mylar intact. La seconde, la coupe traversante, grave à travers les deux couches.

Cela suffit pour produire des capteurs île-pont. Les coupes tunnel sont utilisées dans la couche supérieure adhésive PET pour tracer le chemin des interconnects ; les segments de PET coupés sont ensuite pelés, laissant derrière eux le motif d'interconnects sur la surface de Mylar exposée.

Ensuite, toute la feuille de plastique est revêtue d'or — ou éventuellement d'un autre métal conducteur. La couche supérieure de PET restante est pelée, laissant une surface de Mylar avec des interconnects bien définis, ainsi que des ouvertures métalliques exposées et des plots de contact sur les îles.

Les éléments de capteur sont ensuite attachés aux plots de contact. Pour des 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 plots sans aucun chauffage.

Une fois cette étape terminée, le découpeur vinyle utilise des coupes traversantes pour découper les contours du capteur, y compris les spirales, zigzags et 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 basée sur les minuscules changements de température qu'il crée entre l'avant et l'arrière du capteur.

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

« Nous pourrions aussi faire des capteurs plus complexes en ajoutant des condensateurs ou des électrodes pour faire des mesures d'électrocardiogramme ou des accéléromètres et gyroscopes de taille puce pour mesurer le mouvement », a dit Xu.

La taille, cependant, est la limitation clé du découpage de capteur. Ses plus petites caractéristiques font 200 à 300 micromètres de large, tandis que la photolithographie peut produire des caractéristiques de dizaines de micromètres. Mais la plupart des capteurs portables n'ont pas besoin de telles caractéristiques fines, a dit Xu.

Les chercheurs croient que cette technique pourrait un jour devenir une caractéristique standard dans chaque laboratoire étudiant les capteurs portables ou de nouvelles maladies. Les prototypes pourraient être conçus en utilisant un logiciel de CAO puissant ou des applications plus simples faites spécialement pour les imprimantes vinyle.