L’électronique sur caoutchouc est la première à offrir une fonctionnalité métal-oxyde-semiconducteur complémentaire, du CMOS « mou »
Photos d’un prototype de peau tactile extensible créé par l’équipe de Yu, avant (à gauche) et pendant (à droite) l’étirement. Crédit : École d’ingénierie Grainger de l’Université de l’Illinois
Le chercheur Cunjiang Yu et son équipe de recherche, comprenant plusieurs de ses anciens étudiants, ont annoncé une étape importante dans le domaine des matériaux et de l’ingénierie électronique : la création de ce qu’ils appellent le « CMOS caoutchouteux », qui offre les mêmes fonctionnalités que les circuits CMOS (semi-conducteur métal-oxyde complémentaire) conventionnels, mais est fabriqué à partir de matériaux entièrement différents.
Les résultats de cette recherche sont publiés dans la revue Science Advances .
Le grand avantage de la technologie CMOS caoutchouteuse est qu’elle offre les mêmes fonctionnalités de circuit que la technologie CMOS conventionnelle, tout en étant extensible et déformable.
La technologie CMOS est à la base de la quasi-totalité des appareils électroniques modernes , des smartphones et ordinateurs portables aux capteurs et écrans. Comme son nom l’indique, la technologie CMOS repose sur des métaux et des oxydes rigides qui se fissurent facilement lorsqu’ils sont pliés ou étirés, ce qui entraîne une défaillance de l’appareil. Depuis des années, dans le but de concevoir des appareils de nouvelle génération capables de bouger et de se plier comme des tissus biologiques, les chercheurs s’efforcent de trouver des matériaux électroniques extensibles qui conservent leurs performances malgré les déformations.
La plupart des travaux réalisés jusqu’à présent ont combiné des semi-conducteurs conventionnels, comme le silicium, avec des substrats extensibles tels que les polymères. Bien que ces systèmes hybrides puissent supporter une certaine déformation, ils ne possèdent pas une véritable élasticité au niveau du matériau et ne conviennent donc pas à une intégration intime et conforme avec des tissus biologiques mous ou des surfaces dynamiquement déformables.
Cette limitation a alimenté un intérêt croissant pour une nouvelle frontière : l’électronique caoutchouteuse, où chaque composant fonctionnel — du semi-conducteur au diélectrique et à l’interconnexion — est fabriqué à partir de caoutchoucs intrinsèquement extensibles.
« Pour l’électronique sur caoutchouc, on n’utilise ni métal, ni oxydes, ni semi-conducteurs conventionnels », explique Yu, professeur fondateur d’ingénierie au département de génie électrique et informatique de l’université de l’Illinois à Urbana-Champaign. « Il s’agit toujours d’un transistor, mais il ne repose pas sur les matériaux MOS classiques. »
Réaliser de véritables circuits CMOS élastiques
Jusqu’à présent, cependant, les efforts visant à réaliser l’architecture CMOS complète et le comportement complémentaire dans l’électronique caoutchouteuse — en intégrant à la fois des transistors caoutchouteux de type p et de type n (c’est-à-dire des porteurs de charge positifs et négatifs) de manière adaptée et coordonnée — sont restés à un stade préliminaire, avec des résultats très limités.
« Jusqu’à présent, les travaux ont principalement porté sur des matériaux de type p, qui transportent des porteurs de charge électrique positifs », a déclaré Yu. « Nous n’avions jamais auparavant démontré un véritable comportement CMOS dans l’électronique sur caoutchouc. »
Cette avancée majeure est désormais une réalité. Dans leur nouvelle publication, les chercheurs présentent des circuits intégrés complémentaires entièrement extensibles, composés de transistors élastiques de type n et de type p. Ces dispositifs conservent des performances électriques stables même lorsqu’ils sont étirés jusqu’à 50 %. De plus, les portes logiques numériques fabriquées à partir de ces composants restent parfaitement fonctionnelles malgré d’importantes contraintes mécaniques.
Applications potentielles des technologies médicales et portables
Pour valider le concept, les chercheurs ont mis au point une « peau sensorielle » : une fine couche électronique extensible qui adhère parfaitement à la peau humaine , comme le montre la photo ci-jointe. Cette innovation ouvre la voie à des applications médicales et de surveillance de la santé, pour lesquelles les systèmes électroniques doivent s’adapter à des tissus mous et en mouvement.
Yu a déclaré que les travaux de son équipe dans ce domaine étaient initialement motivés par des applications d’implants médicaux, mais que leurs implications vont bien au-delà de la biomédecine.
« La robotique souple et les interfaces homme-machine constituent des évolutions naturelles », a-t-il déclaré. « Imaginez un gant portable composé de circuits intégrés capable de détecter et de traiter des informations directement à l’intérieur du gant. »
https://ece.illinois.edu/news/first-rubber-electronics-offering-CMOS-functionality