Des capteurs directement imprimables sur la peau

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| Ling Zhang et al. 2020

L’essor des dispositifs de détection et d’analyse biométriques portables a conduit les ingénieurs à réduire continuellement leur taille. Après avoir été réduits à la taille d’une montre, ces capteurs peuvent aujourd’hui être directement intégrés aux vêtements. Mais récemment, une équipe d’ingénieurs a franchi une nouvelle étape dans leur portabilité : l’impression directe sur la peau sans aucune chaleur. Ces capteurs, qui s’enlèvent tout aussi facilement sans endommager la peau, trouveront de larges applications en médecine et dans le sport.

Les capteurs portables ont évolué des montres et des électrodes aux dispositifs pliables qui fournissent des mesures biométriques beaucoup plus précises et un confort plus appréciable pour les utilisateurs. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs a poussé l’évolution encore plus loin en imprimant des capteurs directement sur la peau humaine sans utiliser de chaleur.

« Dans cet article, nous rapportons une technique de fabrication simple mais universellement applicable avec l’utilisation d’une nouvelle couche d’aide au frittage pour permettre l’impression directe pour les capteurs sur le corps », explique Ling Zhang, chercheur à l’Institut de technologie de Harbin en Chine.

La chaleur : un obstacle au processus de frittage du matériau

Cheng et ses collègues ont déjà développé des cartes de circuits imprimés flexibles pour une utilisation dans des capteurs portables, mais l’impression directement sur la peau a été entravée par le processus de liaison des composants métalliques du capteur. Appelé frittage, ce processus nécessite généralement des températures d’environ 300 degrés Celsius pour lier ensemble les nanoparticules d’argent du capteur.

« La surface de la peau ne peut évidemment pas résister à une température aussi élevée. Pour contourner cette limitation, nous avons proposé une couche d’aide au frittage — quelque chose qui ne blesserait pas la peau et pourrait aider le matériau à fritter à une température plus basse ». En ajoutant une nanoparticule au mélange, les particules d’argent frittent à une température inférieure d’environ 100 °C.

« Cela peut être utilisé pour imprimer des capteurs sur des vêtements et du papier, ce qui est utile, mais c’est quand même toujours trop élevé pour la peau humaine (40 °C peut déjà brûler les tissus cutanés). Nous avons modifié la formule de la couche auxiliaire, changé le matériau d’impression et constaté que nous pouvions fritter à température ambiante ».

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Un capteur facilement imprimable et retirable sans endommager la peau

La couche d’aide au frittage à température ambiante est constituée d’une pâte d’alcool polyvinylique — l’ingrédient principal des masques pelables — et de carbonate de calcium (qui comprend des coquilles d’œufs). La couche réduit la rugosité de la surface d’impression et permet une couche ultramince de motifs métalliques qui peuvent se plier tout en conservant les capacités électromécaniques. Lorsque le capteur est imprimé, les chercheurs utilisent un souffleur d’air, tel qu’un sèche-cheveux réglé à froid, pour éliminer l’eau qui est utilisée comme solvant dans l’encre.

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Les capteurs s’enlèvent facilement sous l’eau chaude sans endommager la peau. Crédits : Ling Zhang et al. 2020

Les capteurs sont capables de capturer avec précision et en continu la température, l’humidité, les niveaux d’oxygène dans le sang et les signaux de performance cardiaque. Les chercheurs ont également relié les capteurs corporels à un réseau avec des capacités de transmission sans fil pour surveiller la combinaison de signaux au fur et à mesure de leur progression. Le processus est également respectueux de l’environnement. Le capteur reste robuste dans l’eau tiède pendant quelques jours, mais une douche chaude l’enlèvera facilement.

Sources : ACS Applied Materials & Interfaces

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