Les ingénieurs de l'UC Berkeley ont développé une nouvelle technique de fabrication de capteurs portables qui permet aux chercheurs médicaux de tester de nouveaux prototypes beaucoup plus rapidement et à un coût bien inférieur à celui des méthodes existantes.

La nouvelle technique remplace la photolithographie - un processus en plusieurs étapes utilisé pour fabriquer des puces informatiques dans les salles blanches - par un découpeur de vinyle à 200 $. La nouvelle approche réduit de près de 90 % le temps de fabrication de petits lots de capteurs tout en réduisant les coûts de près de 75 %, a déclaré Renxiao Xu (Ph.D.'20 ME), qui a développé la technique tout en poursuivant son doctorat. en génie mécanique à Berkeley.

"La plupart des chercheurs travaillant sur les dispositifs médicaux n'ont aucune expérience en photolithographie", a déclaré Xu. "Notre méthode leur permet de modifier facilement et à peu de frais la conception de leur capteur sur un ordinateur, puis d'envoyer le fichier au découpeur de vinyle pour qu'il le réalise."

Une description de la technique a été publiée le 25 janvier dans ACS Nano . Xu, qui travaille maintenant chez Apple, et Liwei Lin, professeur de génie 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 pansements adhésifs sur la peau aux implants extensibles sur les organes, et exploitent des capteurs sophistiqués pour surveiller la santé ou diagnostiquer des maladies.

Ces appareils sont constitués de fils plats, appelés interconnexions, ainsi que de capteurs, de sources d'alimentation et d'antennes pour communiquer des données aux applications de smartphone ou à d'autres récepteurs. Pour conserver 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 en "pont-îlot", a déclaré Xu. Les îles abritent des composants électroniques et de capteurs rigides, tels que des résistances commerciales, des condensateurs et des composants synthétisés en laboratoire tels que des nanotubes de carbone. Les ponts relient les îles entre elles. 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 d'îlots en utilisant la photolithographie, un processus en plusieurs étapes qui utilise la lumière pour créer des motifs sur des tranches de semi-conducteurs. Fabriquer des capteurs portables de cette manière nécessite une salle blanche et un équipement sophistiqué.

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

La fabrication des capteurs commence par la fixation d'une feuille adhésive de polyéthylène téréphtalate (PET) sur un substrat en Mylar (PET à orientation biaxiale). D'autres plastiques fonctionneraient également, a déclaré Xu.

Un découpeur de vinyle les façonne ensuite en utilisant deux types de découpes. La première, la coupe tunnel, coupe uniquement la couche supérieure de PET mais laisse le substrat Mylar intact. Le deuxième type, la coupe traversante, découpe les deux couches.

Cela suffit pour produire des capteurs en pont d'îlot. Tout d'abord, des découpes 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 d'interconnexions sur la surface de Mylar exposée.

Ensuite, toute la feuille de plastique est recouverte d'or (un autre métal conducteur pourrait également être utilisé). La couche supérieure de PET restante est décollée, laissant une surface en Mylar avec des interconnexions bien définies, ainsi que des ouvertures métalliques exposées et des plots de contact sur les îlots.

Des éléments capteurs sont ensuite attachés aux plots de contact. Pour les appareils électroniques, 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 coussinets sans aucun chauffage.

Une fois cette étape effectuée, le découpeur de vinyle utilise des coupes traversantes pour sculpter les contours du capteur, y compris les spirales, les zigzags et d'autres caractéristiques.

Pour démontrer la technique, Xu et Lin ont développé une variété d'éléments et de capteurs extensibles. L'un se monte sous le nez et mesure la respiration humaine en fonction des minuscules 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 de volumineux", a déclaré Lin. "Vous voulez quelque chose de fin et flexible, presque comme une bande 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 libèrent plus rapidement. Les supercondensateurs pourraient alimenter certains types de capteurs.

"Nous pourrions également créer des capteurs plus complexes en ajoutant des condensateurs ou des électrodes pour effectuer des mesures d'électrocardiogramme, ou des accéléromètres et des gyroscopes de la taille d'une puce pour mesurer le mouvement", a déclaré Xu.

La taille est la principale limitation de la découpe par capteur. Ses plus petits éléments ont une largeur de 200 à 300 micromètres, tandis que la photolithographie peut produire des éléments de plusieurs dizaines de micromètres de large. Mais la plupart des capteurs portables ne nécessitent pas de fonctionnalités aussi fines, a noté Xu.

Les chercheurs pensent que cette technique pourrait un jour devenir une fonctionnalité standard dans tous les laboratoires étudiant des capteurs portables ou de nouvelles maladies. Les prototypes pourraient être conçus à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) puissant ou d'applications plus simples conçues spécialement pour les imprimantes de vinyle. + Explorer plus loin

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