Le plus petit système d'impédance spectroscopique sous forme de pilule détecte les points faibles dans les machines et chez l'humain

Le cœur de la capsule de spectroscopie comprend le système en paquet, une carte de circuit flexible et une carte en céramique. © Fraunhofer IZM / Le cœur de la capsule de spectroscopie contient le système en paquet, une carte de circuit flexible et une carte en céramique. © Fraunhofer IZM

© Micro Systems Technologies (MST) / © Micro Systems Technologies (MST)

Équipement et fonctionnalités de la pilule © Micro Systems Technologies (MST) / Caractéristiques et fonctions de la pilule © Micro Systems Technologies (MST)

Mesure d'impédance dans des zones difficiles d'accès : Capteur IoT ultra-miniaturisé. © Fraunhofer IZM / Mesure d'impédance dans des zones difficiles d'accès : Capteur IoT ultra-miniaturisé. © Fraunhofer IZM

Pour une identification simple des erreurs, il suffit d'avaler une pilule – c'est ce que des chercheurs du Fraunhofer IZM, en collaboration avec Micro Systems Technologies (MST) et Sensry GmbH, ont concrétisé. Aussi petit qu’un bonbon, le capteur IoT étanche peut mesurer de manière fiable les propriétés des liquides même dans des endroits difficiles d’accès. Cela peut grandement faciliter la maintenance des machines industrielles et même aider à l’identification de maladies.

Plus une machine industrielle est grande, plus il est difficile en cas de panne de détecter de l’extérieur une déviation indésirable de la pression d’huile ou même une fuite dans une conduite. Il faut souvent beaucoup de temps au personnel spécialisé pour trouver la aiguille dans la botte de foin. Cela entraîne des arrêts de production et des coûts élevés. Il en va de même pour la détection des causes de maladies chez l’homme. Lorsqu’un patient se plaint de douleurs abdominales, il n’y a souvent pas d’autre solution que des examens gastro-intestinaux coûteux et invasifs. Dans de tels cas, la spectroscopie d’impédance électrochimique peut apporter une solution.

Dans cette méthode, un spectre de fréquence est envoyé d’une électrode à travers un médium vers une deuxième électrode : on peut en déduire un spectre, c’est-à-dire une empreinte digitale spécifique de ce médium. Si des changements dans les propriétés du matériau ou du liquide deviennent évidents, cela peut indiquer une corrosion avancée d’un composant ou la présence d’une certaine pathologie. Jusqu’à présent, les analyseurs d’impédance n’étaient pas assez petits et mobiles pour être utilisés à ces fins. Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-integration IZM à Berlin ont donc développé, avec le soutien de MST et Sensry, un capteur IoT compact et modulaire pour ces applications, capable de mesurer et de transmettre sans fil les impédances. Par conséquent, il n’est pas seulement étanche, mais aussi compatible biomédicalement.

Le capteur est composé d’un polymère biocompatible et intègre en seulement 11 x 16 millimètres carrés deux électrodes nécessaires ainsi que de nombreux composants pour l’analyse des propriétés environnantes, notamment six capteurs pour la mesure de diverses données. Ainsi, ce petit multitalent peut mesurer, en plus de la température, de la pression, de l’humidité de l’air et du son ambiant, son propre comportement d’accélération, la rotation ou les bruits environnants. La lumière et les couleurs peuvent être déterminées par un capteur lumineux intégré.

Concrètement, on insère le capteur dans un tuyau d’huile par exemple en cas de panne d’une machine, et celui-ci traverse alors tout le système. Des données précises sur les propriétés de l’environnement sont transmises en temps réel sans fil à un logiciel développé spécialement avec une interface web pour PC et smartphone. Lorsqu’un point est atteint où la pression ou le spectre du liquide s’écartent de la norme, cela indique que la cause du problème a été localisée avec succès. Pour faciliter l’interprétation des données recueillies, les spectres de certains liquides, comme l’huile ou l’eau, sont déjà enregistrés dans le logiciel.

Lors de la fabrication du capteur, la miniaturisation extrême des composants a représenté un défi majeur. En particulier, la réduction du diamètre de la bobine à 10 millimètres pour la recharge sans fil a été une étape difficile. Grâce à une conception de système ingénieuse, il a cependant été possible de relever ce défi. Au début du projet, la société Sensry GmbH a fourni ses schémas électriques et le firmware Kalisto comme base pour le développement du capteur.

Pour faire tenir plus de 70 composants passifs et actifs sur une carte flexible et biocompatible, celle-ci a été conçue en polymère cristallin liquide et fabriquée en quatre couches par DYCONEX, une entreprise de MST. Elle ne fait que 175 micromètres d’épaisseur, à peine plus qu’un cheveu humain. Un système en package a été réalisé sur un interposeur à six couches, qui constitue le cœur du capteur, car c’est là que le système IoT est intégré. Pour la recharge sans fil, la capsule n’a même pas besoin d’être ouverte grâce à une bobine d’induction intégrée, et peut être chargée sans fil via la technologie Qi. Une station d’accueil pour la calibration et la programmation du capteur permet également une recharge classique en courant continu. Afin que les composants très petits ne chauffent pas pendant le fonctionnement, le capteur est également rempli d’un époxy qui isole les composants les uns des autres et évacue la chaleur vers l’extérieur. En bas, il se termine par une plaque en céramique à quatre couches de 0,5 millimètre d’épaisseur, fabriquée par Micro Systems Engineering GmbH, une entreprise de MST, sur laquelle sont montés, en plus du capteur de pression, les électrodes pour la spectroscopie d’impédance. En tant que démonstrateur de mesure, le capteur IoT montre comment, grâce à une conception système intelligente et à l’emballage des semi-conducteurs, l’électronique peut être fortement miniaturisée sans perdre de fonctionnalité.

La recherche sur la spectroscopie d’impédance électrochimique est en plein essor, et les possibilités pour la technologie médicale ne sont pas encore exploitées à leur plein potentiel.

Le projet a débuté le 01.04.2021.