prototypes plus rapidement et à moindre coût.
Des ingénieurs de l'université de Berkeley ont mis au point une nouvelle technique de fabrication de capteurs portables qui permet aux chercheurs médicaux de tester des prototypes de nouveaux modèles beaucoup plus rapidement et à un coût bien moindre que les méthodes existantes.
Cette nouvelle technique remplace la photolithographie - un processus en plusieurs étapes utilisé pour fabriquer des puces informatiques dans des salles blanches - par une découpeuse en vinyle à 200 dollars. Cette nouvelle approche réduit de près de 90 % le temps nécessaire à la fabrication de petits lots de capteurs, tout en diminuant les coûts de près de 75 %, a déclaré Renxiao Xu (Ph.D. '20 ME), qui a mis au point cette technique dans le cadre de son doctorat en génie mécanique à Berkeley.
"La plupart des chercheurs travaillant sur des dispositifs médicaux n'ont aucune expérience en photolithographie", a déclaré Xu. "Notre méthode leur permet de modifier facilement et à moindre coût la conception de leur capteur sur un ordinateur, puis d'envoyer le fichier au découpeur de vinyle pour qu'il le fabrique." Une description de la technique a été publiée dans ACS Nano. Xu, qui travaille désormais chez Apple, et Liwei Lin, professeur d'ingénierie mécanique et codirecteur du Berkeley Sensor and Actuator Center, étaient les principaux chercheurs.
Les capteurs portables sont souvent utilisés par les chercheurs pour recueillir des données médicales auprès des patients sur de longues périodes. Ils vont des bandages adhésifs sur la peau aux implants extensibles sur les organes, et exploitent des capteurs sophistiqués pour surveiller la santé ou diagnostiquer des maladies.
Ces dispositifs sont constitués de fils plats, appelés interconnexions, ainsi que de capteurs, de sources d'énergie et d'antennes permettant de communiquer des données à des applications pour smartphone ou à d'autres récepteurs. Pour rester pleinement fonctionnels, ils doivent s'étirer, se plier et se tordre avec la peau et les organes sur lesquels ils sont montés, sans générer de tensions qui compromettraient leurs circuits.
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Pour obtenir une flexibilité à faible contrainte, les ingénieurs utilisent une structure "pont-îlot", a expliqué M. Xu. Les îles abritent des composants électroniques et des capteurs rigides, tels que des résistances et des condensateurs du commerce, ainsi que des composants synthétisés en laboratoire, comme des nanotubes de carbone. Les ponts relient les îles les unes aux autres. 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 en utilisant la photolithographie, un processus en plusieurs étapes qui utilise la lumière pour créer des motifs sur des plaquettes de semi-conducteurs. La fabrication de capteurs portables de cette manière nécessite une salle blanche et un équipement sophistiqué.
La nouvelle technique est plus simple, plus rapide et plus économique, notamment lorsqu'il s'agit de fabriquer les une ou deux douzaines d'échantillons dont les chercheurs médicaux ont généralement besoin pour leurs tests.
La fabrication des capteurs commence par la fixation d'une feuille adhésive en polyéthylène téréphtalate (PET) sur un substrat en Mylar (PET orienté biaxialement). D'autres plastiques pourraient également convenir, selon M. Xu.
Un découpeur de vinyle leur donne ensuite une forme en utilisant deux types de coupes. La première, la coupe tunnel, traverse uniquement la couche supérieure de PET, mais ne touche pas le substrat Mylar. Le second type de découpe, la découpe traversante, traverse les deux couches.
Cela suffit pour produire des capteurs en pont d'îlot. Tout d'abord, des coupes en tunnel sont utilisées dans la couche supérieure de PET adhésif pour tracer le chemin des interconnexions ; ensuite, les segments de PET coupés sont décollés, laissant derrière eux le motif des interconnexions sur la surface exposée du Mylar.
Ensuite, toute la feuille de plastique est recouverte d'or (un autre métal conducteur peut également être utilisé). La couche supérieure de PET restante est retirée, laissant une surface de Mylar avec des interconnexions bien définies, ainsi que des ouvertures métalliques exposées et des plots de contact sur les îlots.
Les éléments de détection sont ensuite fixés aux plots de contact. Pour les dispositifs électroniques, tels que les résistances, une pâte conductrice et une plaque chauffante commune sont utilisées pour fixer la liaison. Certains composants synthétisés en laboratoire, comme les nanotubes de carbone, peuvent être appliqués directement sur les plots sans aucun chauffage.
Une fois cette étape franchie, le découpeur de vinyle utilise des coupes traversantes pour sculpter les contours du capteur, notamment des spirales, des zigzags et d'autres caractéristiques.
Pour démontrer cette technique, Xu et Lin ont mis au point divers éléments et capteurs extensibles. L'un d'entre eux se fixe sous le nez et mesure la respiration humaine en se basant sur les infimes changements de température qu'il crée entre l'avant et l'arrière du capteur.
"Pour un capteur de respiration, vous ne voulez pas quelque chose d'encombrant", a déclaré Lin. "Vous voulez quelque chose de fin et de flexible, presque comme un ruban adhésif sous votre nez, afin que vous puissiez vous endormir pendant qu'il enregistre un signal sur une longue période de temps." Un autre prototype consiste en un réseau de supercondensateurs résistants à l'eau, qui stockent l'énergie électrique comme une batterie mais la restituent plus rapidement. Les supercondensateurs pourraient fournir de l'énergie à certains types de capteurs.
"Nous pourrions également fabriquer des capteurs plus complexes en ajoutant des condensateurs ou des électrodes pour mesurer l'électrocardiogramme, ou des accéléromètres et des gyroscopes de la taille d'une puce pour mesurer le mouvement", explique M. Xu. La taille est l'une des principales limites du découpage des capteurs. Ses plus petits éléments font 200 à 300 micromètres de large, alors que la photolithographie peut produire des éléments de plusieurs dizaines de micromètres de large. Mais la plupart des capteurs portables ne nécessitent pas de caractéristiques aussi fines, a noté M. Xu.
Les chercheurs pensent que cette technique pourrait un jour devenir un élément standard dans tous les laboratoires qui étudient les capteurs portables ou les nouvelles maladies. Les prototypes pourraient être conçus à l'aide de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) très puissants ou d'applications plus simples spécialement conçues pour les imprimantes vinyles.
Plus d'informations :https://phys.org/news/2022-02-technique-wearable-sensors-faster-costly.amp
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