Capteurs de déformation infaillibles sans consommation d'énergie

L'équipe de mechIC a développé des capteurs de déformation qui ne consomment pas d'électricité. La production se fait en salle blanche. © RUB, Marquard

Étant donné que les structures des capteurs sont minuscules, chaque grain de poussière pourrait causer des perturbations. C'est pourquoi la production se fait en salle blanche. L'équipe porte des vêtements de protection pour éviter toute contamination par des cheveux ou des squames de peau. © Andreas Soika

Avec des méthodes issues de la production de microchips, l'équipe mechIC fabrique les capteurs sur des disques de silicium, appelés wafers. © RUB, Marquard

Une prise de détail du capteur mechIC, qui fonctionne uniquement mécaniquement. © Harald Austenfeld

L'équipe mechIC de gauche à droite : Philip Schmitt, Steffen Wittemeier, Lisa Schmitt et Henning Mays. © RUB, Marquard

Pour son idée de création, une équipe de Bochum reçoit une subvention EXIST dotée de 1,34 million d'euros. Leur technologie pourrait arriver à point nommé pour résoudre un problème mondial imminent.

Pour surveiller la sécurité des ponts, des grues, des pipelines, des éoliennes et bien d'autres encore, des capteurs de déformation sont nécessaires. Une technologie entièrement nouvelle à cet effet a été développée par des chercheurs de Bochum et de Paderborn. Contrairement aux systèmes traditionnels, elle ne consomme pas d'électricité et est presque insensible à la température. Afin de rendre ces capteurs prêts pour le marché, le Dr Philip Schmitt, la Dr Lisa Schmitt et Henning Mays du département de microsystèmes de l'Université de Bochum préparent la création de la start-up « mechIC », prévue pour 2025, en collaboration avec Steffen Wittemeier, anciennement à l'Université de Paderborn. Le ministère fédéral de l'Économie et de la Protection du Climat les soutient dans le cadre du programme de transfert de recherche EXIST avec 1,37 million d'euros.

Le projet EXIST est basé au département de microsystèmes de Bochum, dirigé par le Prof. Dr. Martin Hoffmann. La subvention a débuté le 1er avril 2024. L'équipe bénéficie également du soutien du centre de start-up WORLDFACTORY de l'Université de Bochum et de l'incubateur Materials.

« Selon les prévisions, d'ici 2040, plus d'électricité sera nécessaire pour surveiller les composants que celle produite dans le monde entier », souligne Lisa Schmitt, soulignant l'importance des nouveaux capteurs. « Pour assurer une surveillance à grande échelle, un changement de cap est nécessaire. »

Le système fonctionne entièrement mécaniquement

Contrairement aux capteurs de déformation classiques, qui fonctionnent électriquement, le système de mechIC — abréviation de « circuits intégrés mécaniques » — fonctionne mécaniquement. Le cœur du capteur est une puce en silicium capable de percevoir des déformations dans la plage nanométrique. Lorsque la pièce à surveiller se déforme, une structure à dents de roue dans la puce est déplacée contre un cadre. Plus la déformation est importante, plus l'élément mobile s'enclenche profondément dans le cadre. « De cette manière, nous pouvons stocker mécaniquement les amplitudes de déformation détectées », explique Philip Schmitt.

Le principe de fonctionnement a été développé par l'équipe dans le cadre du projet « Recherche pour une nouvelle microélectronique : Capteurs passifs sans fil non conventionnels pour la surveillance énergétique autonome des vibrations et des déformations », abrégé UpFuse, financé par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche à l'Université de Bochum et à l'Université de Paderborn.

Données lisibles via smartphone

Avec le capteur mechIC, il est possible de surveiller en continu des composants en temps réel. Les capteurs peuvent être configurés pour déclencher une alarme en cas de dépassement d’un seuil ou être lus à la demande. À cette fin, un convertisseur analogique-numérique micromécanique traduit la déformation mécanique en un signal électrique. L'énergie nécessaire pour la mesure et le traitement des données est fournie par la déformation elle-même, sans besoin d'alimentation externe. Le système ne nécessite donc pas de batterie. Les données peuvent être simplement lues via une application smartphone conçue pour que les utilisateurs puissent facilement l’adapter à leurs besoins.

Les capteurs mesurent environ cinq millimètres sur cinq et peuvent être utilisés pour diverses applications. Ils sont fabriqués selon des méthodes établies dans l'industrie des semi-conducteurs. L'équipe fondatrice prévoit de passer à la production en série en 2026.