Développement de l'électronique étirable pour la fabrication de capteurs organiques pour la peau artificielle

Stretchable electronics towards the fabrication of organic sensors for artificial skin

• Auteur / Autrice : Bastien Marchiori
• Direction : Sylvain Blayac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 19/11/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département d’Électronique Flexible
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jhon Christian De Mello, Piero Cosseddu, Louis Giraudet, Stéphanie Escoubas, Marc Ramuz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jhon Christian De Mello, Piero Cosseddu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étirage (travail des métaux)

Peau artificielle

Biocapteurs

Mots clés libres

Etirable

Capteurs

Peau électronique

Stretchable

Sensors

E-skin

Résumé

Le domaine de l’électronique étirable concerne les circuits électriques et électroniques qui sont élastiquement ou inélastiquement étirables par plus de quelques pourcents tout en gardant leur intégrité mécanique et électrique. Actuellement, les dispositifs électroniques étirables ont de nouvelles applications émergentes, notamment pour les intégrer sur la peau. Ces systèmes, se présentent sous la forme d’une peau artificielle, qui peut intégrer des capteurs. Ces capteurs, peuvent être aussi intégrés sur des mains robotiques, ou des prothèses, pour recréer les mêmes propriétés que la peau : toucher, pression et température. Le but de ce travail est d’identifier les stratégies et les matériaux permettant de fabriquer des dispositifs étirables possédant une capacité d’étirement comparable à celle de la peau (~15%) avec des performances proches de l’électronique rigide. Pour cela, un procédé de micro fabrication permettant de fabriquer des capteurs organiques a été développé. Les systèmes développés sont basé sur des interconnections métalliques en forme de serpentin permettant un étirement jusqu’à 80%. Ensuite, ces différents outils ont été utilisés pour fabriquer un dispositif biomédical : le transistor électrochimique organique (OECT). Ce transistor utilise un polymère conducteur pour capter des signaux physiologiques. Enfin, un capteur température a été développé. Il peut aussi capter des signaux infrarouges, à la manière de la peau humaine. Ces dispositifs peuvent supporter des déformations jusqu’à 30% de sa longueur initiales et peuvent donc être intégrer sous forme de matrice pour une utilisation sur la peau artificielle.

Stretchable electronics concern electrical and electronic circuits that are elastically or inelastically stretchable by more than a few percents while retaining function. In order to achieve this, devices tend to be laminar and usually thin. Compared with rigid, hard conventional electronic systems in planar formats, stretchable electronic systems can be stretched, compressed, bent, and deformed into arbitrary shapes without electrical or mechanical failure within the circuits. Currently, stretchable electronic systems have many important and emerging applications in new, soft and curved bio-inspired areas, such as tuneable electronic eye cameras or artificial skin capable of mechanically invisible integration onto human skin. These sensors would be integrated on robotic or prosthetic hands to recreate the same sensing capabilities than the skin: touch, pressure and temperature. The aim of this thesis is to identified strategies and materials to make stretchable devices with stretching capabilities similar to the one of the skin (~15%) with performance close to rigid devices. In this purpose, a microfabrication process to fabricate organic sensors has been developed. The devices are based on laser cut bulk metallic stretchable interconnections with maximum elongation of 80% in PDMS matrix. Then, these tools have been used to fabricate a biosensor: the organic electrochemical transistor (OECT). The transistor is based on a conducting polymer and is able to sense physiological signal. A temperature sensor has also been developed, able to sense infrared signal, like the human skin. These devices can stand up to 30% strain and can be integrated into a matrix for artificial skin applications.