Révolutionner les capteurs portables : fabrication ultra-rapide sans liant par impression électrostatique

Ying Zhong, professeure adjointe 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.

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

Professeure Ying Zhong : Nous avions des collaborateurs qui fabriquaient des dispositifs flexibles — les imprimant par sérigraphie. Cela signifie qu'il faut mélanger des poudres fonctionnelles avec des liants, les chauffer et attendre qu'elles sèchent, ce qui prend beaucoup de temps. Alors, nous cherchions des moyens d'imprimer plus rapidement, sans le chauffage et le séchage.

Je travaillais sur un autre projet intéressant : utiliser la décharge corona pour traiter la surface de films polymères. Nous avons réalisé que la corona pouvait générer un type unique de champ électrique fort que nous pouvions utiliser pour soulever de petits objets. Cela nous a fait nous demander s'il était possible de placer des poudres sèches sous le film pour attirer les poudres directement sur le substrat — nous l'avons essayé et ça a marché.

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

Tech Briefs : Je pense que c'est souvent comme ça que le progrès se produit dans la technologie. Ma prochaine question est : une fois que les particules sont attirées sur le substrat, comment sont-elles maintenues en place ?

Zhong : Comme nous l'avons décrit dans notre article publié, nous utilisons un ruban médical de huit micromètres d'épaisseur, qui a un revêtement adhésif pour maintenir les particules. Il est si fin que quand vous l'adhérez à votre peau, vous ne le sentez pas.

Tech Briefs : Comment incorporeriez-vous différents types de capteurs lors de la fabrication de ceci ?

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 (CNT), qui changent de résistivité pour refléter le changement de contrainte. Le mécanisme de fonctionnement est que la contrainte change la distance entre les particules, provoquant un changement de résistance qui reflète l'amplitude de la contrainte dans le capteur.

Nous avons également rapporté un capteur de température basé sur des poudres thermochromiques dans notre article. Comme je l'ai dit, c'est 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 quand la température change. Nous essayons aussi d'imprimer des matériaux qui peuvent être sensibles à l'humidité et à différents types de gaz comme l'ammoniac, le monoxyde de carbone et autres.

Tech Briefs : Avez-vous pensé à la façon 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 rouleau-à-rouleau, qui peut permettre de fabriquer des dispositifs à grande vitesse. Puisque nous n'utilisons pas de liants, nous n'avons pas à appliquer de chaleur et à 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.

Tech Briefs : Est-il difficile de générer et de gérer la haute tension nécessaire pour produire la corona ?

Zhong : Bien que nous ayons besoin de 20 à 30 kilovolts pour générer la corona, le courant est très faible, inférieur à 0,1 mA — notre équipement de laboratoire utilise moins de 2 watts de puissance — c'est très économe en énergie.

Tech Briefs : Est-ce un problème de s'assurer que la haute tension ne peut pas causer de mal ?

Zhong : Eh bien, bien sûr, vous devez gérer le système et couvrir toutes les zones conductrices environnantes. Basé sur 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.

Tech Briefs : Quel genre 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. Nous pouvons 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.

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

Zhong : Oui, par exemple, nous discutons avec une entreprise pour fabriquer des tapis intelligents à détection de contrainte, ce qui devient pratique car notre technologie de fabrication à très faible coût et ultra-rapide 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. On pourrait 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 pour la rééducation physique. Notre collègue travaille avec des personnes qui ont des difficultés à contrôler le comportement de leurs jambes. Parce que notre capteur est ultra-fin, il est très confortable et on peut le faire 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 y a de nombreuses applications futures possibles. Par exemple, vous pourriez l'attacher à la main d'un robot. Si vous voulez qu'il ramasse quelque chose, il pourrait sentir quelle pression est appliquée et quelle surface est en contact.

Tech Briefs : Avez-vous une estimation approximative de quand cela pourrait être prêt pour un usage commercial ?

Zhong : Actuellement, nous travaillons avec Jabil pour mettre en place un petit système rouleau-à-rouleau dans notre laboratoire. Si ça marche bien, nous le mettrons en place chez Jabil et les aiderons à fabriquer des capteurs en grande quantité ou de grande taille. Cela pourrait prendre trois à cinq ans, mais surtout de nos jours, c'est difficile à prédire.

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