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27 Mar, 2024

Les circuits extensibles battent des records en matière d’électronique flexible

Les circuits extensibles battent des records en matière d’électronique flexible

Un nouveau réseau de capteurs peut lire le braille plus rapidement que le bout d’un doigt humain

Les transistors et circuits intégrés intrinsèquement extensibles mis au point par les chercheurs de Stanford peuvent se déformer sans que leurs performances en pâtissent.

Les nouveaux circuits intrinsèquement extensibles sont des milliers de fois plus rapides et possèdent 20 fois plus de transistors que les circuits électroniques intrinsèquement extensibles précédents. Les chercheurs de l’université de Stanford qui ont mis au point ces circuits ont déjà démontré leur utilisation dans un réseau de capteurs de lecture de braille ressemblant à de la peau, qu’ils disent être plus sensible que le bout d’un doigt humain.

D’une manière générale, l’électronique souple peut être utilisée dans toute application nécessitant des interactions avec des matériaux souples, comme les dispositifs portés sur le corps ou implantés dans celui-ci. Ces applications pourraient inclure des ordinateurs sur la peau, de la robotique souple et des interfaces cerveau-machine.

Cependant, l’électronique conventionnelle est constituée de matériaux rigides tels que le silicium et le métal. En plaçant les composants électroniques sur des films plastiques, on peut les rendre suffisamment souples pour qu’ils puissent se plier ; cependant, la capacité d’étirement de ces dispositifs ne représente généralement qu’environ 1 % de leur taille normale, explique Zhenan Bao, professeur de génie chimique à l’université de Stanford.

Des recherches antérieures ont exploré la manière de créer de l’électronique à partir de matériaux intrinsèquement extensibles tels que les nanotubes de carbone et les nanofils d’argent. Mais jusqu’à présent, les performances de l’électronique extensible étaient médiocres.

Zhenana Bao et ses collègues ont maintenant mis au point des transistors et des circuits intrinsèquement extensibles qui ont établi de nombreux nouveaux records. Ils ont publié leurs résultats le 13 mars dans la revue Nature.

« Des réseaux de capteurs extensibles peuvent être incorporés dans des prothèses et des appareils orthopédiques pour fournir des informations sur la répartition de la pression, l’activité musculaire et les mouvements des articulations ». -Zhenan Bao, Université de Stanford

Les nouveaux dispositifs comportent des canaux de nanotubes de carbone semi-conducteurs de haute pureté, des électrodes métalliques de nanotubes de carbone recouvertes de palladium et des interconnexions extensibles en alliage gallium-indium de haute conductivité.

Un réseau de transistors haute densité attaché à une seule graine de sésame blanc avec 1 000 transistors dans une zone de 1 mm2 sur le bout d’un doigt

Les chercheurs ont fabriqué un circuit intégré d’une taille d’environ 28 millimètres carrés qui possède 1 056 transistors, 528 portes logiques et une vitesse de fonctionnement supérieure à 1 mégahertz. Les circuits électroniques intrinsèquement extensibles précédents étaient au mieux capables de 54 transistors et 14 portes logiques par circuit, et leur vitesse de fonctionnement n’était que de 330 hertz.

En outre, les nouveaux transistors extensibles ont démontré une mobilité d’effet de champ – la vitesse à laquelle la charge circule dans un dispositif, qui aide à contrôler la vitesse de commutation du transistor – de plus de 20 centimètres carrés par volt par seconde en moyenne, même lorsqu’ils sont étirés à deux fois leur taille normale. Selon les chercheurs, cela se traduit par des performances électriques environ 20 fois supérieures à celles de l’électronique extensible précédente.

Les transistors ont également affiché un courant d’entraînement – qui influence également la vitesse de commutation des transistors – d’environ 2 milliampères par micron, pour une tension d’alimentation de 5 volts. Ce résultat est plus de 40 fois supérieur à celui des dispositifs extensibles antérieurs. Dans l’ensemble, ces nouveaux transistors sont à peu près aussi performants que les transistors flexibles de pointe qui combinent des nanotubes de carbone, des oxydes métalliques ou du silicium polycristallin avec des films plastiques.

Pour démontrer une application pratique de cette nouvelle électronique, les chercheurs ont construit un réseau de capteurs tactiles de 8 millimètres carrés qui pourrait se coller sur un doigt humain et lire l’écriture Braille. Les pixels de la matrice ne mesurent que 200 microns de large et sont disposés selon une grille de 10 x 20 pixels. En d’autres termes, le réseau possède 2 500 capteurs par centimètre carré, soit plus de 10 fois la densité des récepteurs mécaniques du bout d’un doigt humain.

La configuration dense des capteurs du réseau permet de reconnaître des formes telles que des triangles, des cercles et des rectangles de moins d’un millimètre de diamètre. « Les réseaux de capteurs extensibles peuvent être incorporés dans des prothèses et des appareils orthopédiques pour fournir des informations sur la répartition de la pression, l’activité musculaire et les mouvements des articulations », explique Zhenan Bao. « Les réseaux de capteurs extensibles peuvent également être utilisés dans les interfaces homme-machine pour la reconnaissance des gestes et le suivi des mouvements.

La nouvelle électronique pourrait également aider à piloter un réseau de LED avec un taux de rafraîchissement de plus de 60 Hz, ce qui est typique d’un écran d’ordinateur ou de télévision. Même tordu ou étiré, le réseau de transistors pourrait encore afficher des chiffres, des lettres et des symboles. L’une des applications possibles est l’utilisation d’écrans extensibles pour des appareils portables qui « peuvent épouser les contours du corps, fournir aux utilisateurs des informations et des notifications en temps réel tout en maintenant le confort sans entraver la vie quotidienne », souligne Zhenan Bao.

Un réseau de capteurs à matrice active attaché à un doigt humain

Les nouveaux circuits sont fabriqués avec des matériaux et des procédés qui peuvent fonctionner avec les méthodes de fabrication existantes. Zhenan Bao fait remarquer que les fabricants industriels ne peuvent pas fabriquer les nouveaux circuits sans affiner leurs processus de fabrication, mais que les outils sont déjà en place.

L’une des orientations futures de la recherche consiste à trouver de meilleurs moyens d’emballer les composants électroniques. Cela permettra d’assurer un fonctionnement stable et une longue durée de vie, selon Zhenan Bao.

https://spectrum.ieee.org/stretchable-electronics

https://profiles.stanford.edu/zhenan-bao

https://news.stanford.edu/2024/03/13/advancing-toward-wearable-stretchable-electronics/