Doctorant en troisième année Toshiaki Takahashi, professeur agrégé Kazuhiro Takahashi, et leur équipe de recherche du Département d'ingénierie de l'information électrique et électronique de l'Université de technologie de Toyohashi ont développé une puce de test utilisant le micro-usinage de semi-conducteurs qui peut détecter les gaz volatils dans l'air expiré en concentrations ppm à température ambiante. Un polymère qui se dilate et se contracte lorsque le gaz est absorbé est formé sur une nanofeuille déformable de manière flexible, et la quantité de déformation qui se produit lorsqu'un gaz cible est absorbé est mesurée, permettant de détecter le gaz à haute sensibilité. La puce de test, qui est formé dans la taille de quelques millimètres carrés avec la technologie de micro-usinage de semi-conducteur, devrait contribuer à la télésanté en tant que capteur de gaz IoT qui peut facilement être utilisé à la maison pour des tests d'haleine.

Il existe des méthodes de test qui mesurent des molécules spécifiques dans l'haleine et le sang qui sont un indice pour identifier l'existence et le degré de progression de diverses maladies. Parmi eux se trouve la mesure non invasive par alcootest, qui est une méthode de test prometteuse pour les maladies à faible charge de patients qui a attiré l'attention ces dernières années. Il est rapporté que les composés organiques volatils inclus dans l'air expiré augmentent en concentration dans les cas de diabète, insuffisance rénale, cancer du poumon, etc., et on peut s'attendre à ce que ces marqueurs de laboratoire soient mesurés pour être utilisés dans le dépistage des patients.

Les capteurs de gaz à semi-conducteurs développés précédemment ont un film formé sur un capteur dont la résistance électrique et la capacité changent en réaction à un gaz, et les mesures sont effectuées en chauffant le film à plusieurs centaines de degrés Celsius. Cependant, afin de réduire les augmentations de température des circuits périphériques dues à l'échauffement, la formation séparée d'une structure qui sépare les parties chauffantes de la périphérie est requise, et la complexité accrue des processus de fabrication et la diminution de l'intégration par unité de surface en raison de l'isolement des éléments sont des problèmes. Aussi, l'augmentation de la consommation d'énergie causée par le chauffage pose un problème pour les applications dans les appareils IoT.

Par conséquent, l'équipe de recherche a développé un capteur qui forme un matériau polymère qui se dilate et se contracte lorsque les molécules de gaz sont absorbées sur une couche mince, nanofeuille déformable de manière flexible, et il mesure la quantité de gaz cible absorbée en termes de quantité de déformation de la feuille. Le capteur proposé utilise la propriété interférométrique de l'intensification de la lumière à travers un espace étroit pour déterminer l'adsorption de gaz en termes de changement de couleur. Avec cette technologie, une puce de test a été réalisée qui peut mesurer le gaz à température ambiante sans mécanisme de chauffage. Aussi, ce capteur peut augmenter la sensibilité sans augmenter la zone en raison de la formation d'un étroit, un entrefer submicronique allant jusqu'à quelques centaines de nanomètres entre la nanofeuille mince qui change de forme et le substrat semi-conducteur.

Cependant, il était très difficile de fusionner la fine nanofeuille au-dessus de l'entrefer submicronique tout en formant l'entrefer, et il a fallu développer un nouveau procédé de fabrication pour réaliser la structure. Par conséquent, l'équipe s'est concentrée sur les fortes propriétés adhésives de la nanofeuille mince lorsque la chaleur et la pression sont appliquées. Un nouveau processus de fabrication a été introduit où deux substrats de silicium différents sont collés, puis le substrat d'un côté est retiré pour créer une structure de capteur avec un entrefer submicronique d'environ 400 nanomètres. Par rapport aux structures de capteurs traditionnelles formées avec un écart de quelques micromètres, il a été démontré que la réponse du capteur s'est améliorée de 11 fois, et il a été possible de déterminer la déformation de la nanofeuille mince due à l'adsorption de gaz en termes de changement de couleur.

En outre, il a été démontré que la puce de test qui a été développée peut détecter le gaz éthanol, un composé organique volatil typique, en concentration ppm. La limite de détection de concentration inférieure est équivalente en performances aux capteurs à semi-conducteurs les plus sensibles pouvant mesurer à température ambiante, et par rapport aux capteurs qui utilisent la même méthode de détection, les performances de détection améliorées de 40 fois, tandis que la surface par élément simple a été réduite à 1/150. On peut s'attendre à ce que le capteur soit utilisé comme un petit, appareil portable d'essai d'haleine.

L'équipe de recherche prévoit de démontrer la possibilité d'utiliser le capteur semi-conducteur qu'elle a développé pour détecter divers gaz volatils liés aux maladies. Aussi, ils visent à construire un petit, système de capteur portable pour la surveillance de la respiration qui consomme moins d'énergie que les capteurs de gaz IoT traditionnels.