Cartographie d'un champ de pression induit par l'occlusion dentaire

Pressure mapping sensor array for dental occlusion analysis

• Auteur / Autrice : Yannick Kervran
• Direction : Tayeb Mohammed-Brahim
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 06/01/2016
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Matisse
• Partenaire(s) de recherche : ComUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium cristallisé

Occlusion dentaire

Mots clés libres

Occlusion dentaire

Électronique flexible

Silicium microcristallin

Jauge de contrainte

Matrice de capteurs

Dental occlusion

Flexible electronics

Microcrystalline silicon

Strain gauge

Sensor array

Résumé

Le diagnostic de l'occlusion dentaire reste actuellement un défi majeur pour les chirurgiens-dentistes. Des outils dédiés existent, comme le papier à articuler et le T-Scan®, mais sont limités pour diverses raisons. L'objectif de cette thèse est alors de développer un nouvel outil sous forme de matrice de capteurs de pression sur substrat flexible alliant les avantages des outils nommés précédemment, à savoir un produit électronique, informatisé et de faible épaisseur pour ne pas être intrusif. Nous avons choisi une technologie piézorésistive et l'utilisation de jauges de contrainte en silicium microcristallin. Ce matériau est déposé à basse température (< 200°C) directement sur substrat Kapton® par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) dans une perspective de faible coût. Ces jauges ont d'abord été caractérisées mécaniquement et électriquement lors de tests de courbure. Les facteurs de jauge longitudinaux et transversaux du silicium microcristallin ont été étudiés afin de maîtriser son comportement sous déformation. Les dispositifs restent fonctionnels jusqu'à des contraintes de 0,6 %, à partir de laquelle des dégradations apparaissent. Ces valeurs de contraintes permettent d'atteindre des rayons de courbure de l'ordre du millimètre pour des substrats de 25 µm d'épaisseur. Deux types de matrices ont ensuite été développées : une première de 800 jauges pour l'étude de la surface occlusale d'une dent puis une seconde de 6400 jauges pour l'étude d'une moitié de mâchoire. Dans les deux cas, des corrélations intéressantes entre le papier à articuler et nos réponses électriques ont été observées lors de caractérisations en conditions « semi-réelles » à l'aide d'un articulateur dentaire. Ces deux prototypes ont ainsi permis une preuve de concept fonctionnelle de l'objectif visé en utilisant des jauges en silicium microcristallin.

Dental occlusion diagnosis is still a major challenge for dentists. A couple of tools are dedicated to occlusal analysis, such as articulating papers and the T-Scan® system, but they are limited for various reasons. That's why, the goal of this thesis is to develop a novel system consisting in pressure sensor arrays on flexible substrates combining the positive aspects of both previously cited tools: an electronic and computerized system, on a very thin non-invasive flexible substrate. We chose a piezoresistive technology based on microcrystalline silicon strain gauges and 25-µm- or 50-µm-thick Kapton® substrates. Microcrystalline silicon is deposited directly on plastic at low temperature (< 200°C) using PECVD technique (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in a cost-effective solution perspective. Strain gauges have firstly been characterized using bending tests. Longitudinal and transversal gauge factors have been studied in order to understand the behavior of our deposited materials under bending. Those gauges remained functional until strains up to 0.6 % and degradations appeared for higher values. These values correspond to bending radius on the order of 1 mm for 25-µm-thick substrates. Then, those gauges have been integrated in arrays with two different designs: one was an 800-element array to study the occlusal surface of one tooth, and the second was a 6400-element array to study the occlusal surface of a hemiarcade. Those prototypes have showed interesting correlations between articulating paper marks and our electrical responses during characterizations using a dental articulator to simulate a human jaw. Thus, we have developed in this work a proof-of-concept of a flexible strain sensor using microcrystalline silicon dedicated to dental occlusion diagnosis.