Capteurs souples matriciels à base de polymères pour la mesure non invasive de grandeurs physiologiques

par Sylvie Bilent

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Pierre-Yves Joubert et de Emile Martincic.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les dispositifs électroniques souples et portables permettant le suivi en temps réel de l'activité du corps humain et des grandeurs physiologiques associées, sont considérés comme constituant la prochaine génération de dispositifs électroniques personnels. Ceux-ci ouvrent la voie à un nouveau paradigme dans les soins de santé. Capables de mesurer, de traiter et de communiquer les signaux représentatifs de l'état physiologique des individus « n'importe où » et « n'importe quand », ils sont destinés à transformer radicalement les pratiques traditionnelles de diagnostic thérapeutique et de suivi des patients. Ces dispositifs rendent en effet imaginable une gestion décentralisée et instantanée de l'évolution de l'état de santé des personnes. Une stratégie de soin reposant sur la mesure de signaux d'activité et de signaux physiologiques (pression plantaire, température, glycémie, activité musculaire, neuronale, ECG, rythmes cardiaques et respiratoires, pression oculaire, etc.) acquis en continu, transmis à un centre de soin, et analysés par le praticien afin de déclencher une alerte ou mettre en œuvre la thérapie adaptée dans un temps très court, est considérée avec de plus en plus d'attention. Pour le patient, une telle approche procurerait au quotidien un confort et un sentiment de sécurité accrus. Pour le praticien, elle offrirait une aide au diagnostic inédite. Enfin, à l'échelle de la société, elle est source d'économies potentielles considérables dans les dépenses de santé. La mise en œuvre d'une telle approche suppose en particulier de disposer de capteurs portables, aussi peu invasifs que possible, dont la sensibilité, la gamme de mesure et la fiabilité sont suffisantes pour procurer une analyse sûre. Dans ce domaine, les capteurs reposant sur l'utilisation de films polymères à base de silicone (PDMS) constituent une filière particulièrement intéressante. Biocompatibles, fortement déformables, et pouvant être associés à des textiles, ces films de polymères sont des supports particulièrement intéressants pour constituer des dispositifs adaptables au corps humain ; des motifs métallisés (électrodes, bobines) déposés sur ces polymères rendent possible, à travers les variations de capacités entre électrodes ou du couplage inductif entre bobines, la « lecture » des déformations subies par le film de polymère adhérant à la peau du patient, et, par suite, d'en déduire différentes informations physiologiques. Dans ce domaine, le C2N a acquis une expérience dans le design et la micro-fabrication de capteurs matriciels souples, et développé un démonstrateur de capteur de champs de pression à trois axes de sensibilité, destiné à la détection précoce de la neuro-dégénérescence due au diabète. Ces travaux ont permis notamment d'optimiser un procédé de dépôts de motifs métallisés sur films de PDMS par une technique originale de transfert de films. Une étude des propriétés mécaniques de films de PDMS fins massifs a été également effectuée afin d'en déduire le dimensionnement des éléments du capteur (électrodes) pour atteindre les performances requises. Pour généraliser cette approche à d'autres mesures physiologiques directement ou indirectement liées aux contraintes et déformations cutanées, et qui nécessitent des sensibilités plus élevées (pressions d'appuis, mouvements, pression artérielle, rythmes cardiaques et respiratoires, etc…), plusieurs défis technologiques doivent être relevés. En premier lieu, des procédés de fabrication de capteurs reposant sur des polymères « avancés » plutôt que homogènes doivent être élaborés. En effet, il est établi que les films de polymères poreux ou structurés sont plus déformables que les films massifs, ce qui permet d'envisager des capteurs plus sensibles. Par ailleurs, des polymères « chargés » diélectriquement ou magnétiquement devront être considérés également à des fins d'augmentation de la sensibilité. Toutefois, les procédés de fabrications correspondants sont plus complexes, et conduisent à des propriétés physiques (mécaniques, diélectriques, magnétiques) obtenues souvent difficilement prévisibles. En conséquence, la caractérisation fine des propriétés physiques des films produits devra être menée, afin d'en déduire le dimensionnement des motifs métalliques (capacitifs ou inductifs) nécessaires pour constituer les capteurs de déformations. Pour ce faire, des caractérisations expérimentales préliminaires effectuées sur des films échantillons fabriqués seront menées. Ces caractérisations permettront d'alimenter des modélisations numériques tridimensionnelles couplées mécaniques/électrostatiques ou mécaniques/électromagnétiques, qui seront nécessaires pour le dimensionnement fin de ces capteurs. Ce dimensionnement devra également prendre en compte le paramètres d'influence environnementaux (humidité, courbure éventuelles de la zone d'analyse), le problème de la connectique multicapteurs, ou encore les contraintes liées à l'électronique de conditionnement des signaux associée. Enfin, des procédés de microfabrication de matrices de capteurs capacitifs ou inductifs sur polymères « avancés » seront élaborés. Les prototypes de capteurs réalisés seront caractérisés en en termes de performances de fabrication, puis en termes de performances opérationnelles. Ces dernières nécessiteront le développement de bancs de caractérisation électromécanique tridimensionnels dédiés aux applications visées. Le sujet de thèse proposé est donc fortement pluridisciplinaire. Il nécessite un investissement dans le développement de procédés de micro-fabrication, la conception de techniques de mesure capacitive et/ou inductive, la modélisation numérique multi-physique, et la caractérisation expérimentale. Le cas échéant, les travaux effectués pourront faire l'objet de transfert de technologie vers un partenaire industriel du secteur biomédical.

  • Titre traduit

    “Polymer based flexible array sensor for wearable non-invasive health monitoring”


  • Résumé

    The proposed work deals with the design, the micro-fabrication, the multi-physics modeling and the experimental characterization of 3D polymer based flexible sensor dedicated to the development of wearable non invasive sensor array for health monitoring.