Dans une étude récente publiée dans la revue Microsystèmes et nano-ingénierie, Des chercheurs décrivent un nouveau procédé de fabrication révolutionnaire pour un dispositif interactif sans contact (« skin ») utilisant un réseau de capteurs magnétorésistifs géants (GMR) flexibles. Les skins magnétoélectroniques flexibles de la génération actuelle souffrent de trois défauts fondamentaux : une faible sensibilité, des problèmes de délaminage non destructif (fabrication) et des difficultés mineures de détection de champ magnétique.
Les travaux actuels comblent ces lacunes en présentant un nouveau procédé de délaminage électrochimique qui produit un système GMR multicouche ultra-mince qui conserve ses performances même après des flexions répétées (jusqu'à 90 degrés). Les dispositifs de test utilisant ce procédé de fabrication ont démontré des améliorations significatives par rapport aux systèmes conventionnels en termes de durabilité (en particulier associée à la flexion), de détection de pression et d'interaction sans contact. Ces travaux représentent la première étape vers une nouvelle génération de capteurs magnétiques flexibles hautes performances, ouvrant la voie à des technologies de peau portable plus sophistiquées.
un Illustration d'un processus de délaminage électrochimique typique. b Illustration d'une préparation de feuille électronique PI sur une plaquette de silicium à faible résistance dans une solution de NaCl. La solution de NaCl monte vers le haut, facilitant l'apparition de réactions. c Schéma des réactions électrochimiques à la cathode et à l'anode. d Photographies montrant la progression du détachement d'un capteur GMR de 1,6 cm × 1,6 cm. et Temps moyen de délaminage lors de l'application d'une tension comprise entre 10 et 20 V ; f Temps moyen de délaminage lorsque la concentration en NaCl augmente de 0,02 M à 5,43 M (sursaturation)
Sommaire
Arrière-plan
Au cours des deux dernières décennies, nous avons assisté à une augmentation sans précédent de l'utilisation et des applications des objets électroniques portables, en particulier dans le domaine des interfaces homme-machine (IHM). L'une de ces applications, les « skins électroniques », vise à reproduire les fonctionnalités de la peau naturelle avec des capacités supplémentaires de surveillance de la santé et de suivi des mouvements. Les recherches actuelles visent à augmenter cette fonctionnalité en permettant le développement de la « perception magnétique », un nouveau « sixième sens ».
Cette fonctionnalité est obtenue à l'aide de capteurs magnétorésistifs géants (GMR) composés de capteurs magnétorésistifs à effet tunnel (TMR), de capteurs à magnétoimpédance géante (GMI), de capteurs magnétorésistifs anisotropes (AMR) ou de capteurs à effet Hall. Malheureusement, les procédés de fabrication conventionnels impliquant le dépôt d'empilements Co/Cu, Py/Cu ou Pd/Co sur des feuilles ultra-minces présentent de nombreux défauts. Notamment, le processus de fabrication est souvent manuel et inefficace, ce qui empêche une production de masse standardisée. De plus, les dispositifs basés sur le produit fini présentent une faible sensibilité aux champs magnétiques faibles et une faible durabilité.
À propos de l'étude
La présente étude vise à surmonter ces défis en démontrant la fabrication et les performances d'un nouveau procédé de délaminage électrochimique qui permet le détachement non destructif de films ultraminces de leur substrat rigide. Ce procédé améliore non seulement l'efficacité, mais minimise également les dommages, ce qui permet d'obtenir une structure de vanne de spin GMR avec une sensibilité magnétique élevée, un angle de pliage de 90° et aucune dégradation des performances observable même après un pliage répété.
Fabrication
La fabrication du nouveau capteur GMR est réalisée à l'aide d'une procédure de délaminage électrochimique en plusieurs étapes. Tout d'abord, un substrat composé d'une plaquette de silicium (Si) fortement dopée (résistivité = 0,002 à 0,004 Ω·cm) avec une fine couche de polymère superposée est développé. Ensuite, des procédés de microfabrication classiques sont utilisés pour fabriquer des dispositifs GMR sur la couche de polymère. Troisièmement, la construction est introduite dans une solution aqueuse d'électrolyte de chlorure de sodium (NaCl) et les bords de la couche de polymère sont coupés pour permettre un contact direct entre la plaquette de Si et la solution de NaCl.
un Image schématique montrant les interactions sans contact à l'aide du réseau de capteurs GMR flexible. b Image optique du réseau de capteurs GMR flexible et de la peau magnétique sur le bout d'un doigt humain. c Réponse magnétique du réseau de capteurs GMR lorsqu'un doigt s'approche du coin supérieur gauche. d Images schématiques montrant la détection de pression à l'aide du réseau de capteurs GMR flexible. et, h Images optiques du réseau de capteurs GMR flexible et de la peau magnétique lorsque des pressions de 61,36 g et 180,89 g sont appliquées. g Images optiques latérales de l'installation de détection de pression. f, je Réponse magnétique lorsque des pressions de 61,36 g et 180,89 g sont appliquées
Enfin, l’application d’un potentiel positif et négatif à la solution de NaCl déclenche une réaction anodique, entraînant la formation d’oxygène (O2) des bulles qui, à leur tour, facilitent la séparation des couches de Si et de polymère. Ce procédé peut notamment être automatisé et est dépourvu de dommages mécaniques et chimiques caractéristiques des approches de fabrication GMR conventionnelles.
« Cette méthode démontre sa supériorité sur les autres techniques de délaminage en raison de sa nature particulièrement simple, particulièrement rapide, non invasive et adaptable. »
Le film polymère autoportant ainsi obtenu peut être facilement laminé sur des surfaces cibles pour la création de structures multicouches GMR et le développement ultérieur d'IHM.
Performance
Une plate-forme de test de capteur à résonance magnétique (RM) a été utilisée pour tester les performances du dispositif pilote. Les rapports GMR ont atteint 5,6 %, ce qui correspond aux dispositifs GMR conventionnels à base de couches antiferromagnétiques. Après délaminage, les rapports GMR ont diminué à 2,46 %. Cependant, la faible sensibilité au champ magnétique a largement dépassé les méthodologies précédentes (10 Oe avant et 80 Oe après délaminage contre 4 kOe).
La rugosité de surface du polyimide enduit par centrifugation a été évaluée à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM) et s'est révélée être de 0,574 nm. Les comparaisons des courbes de l'appareil avant et après délaminage se sont révélées presque identiques, confirmant que le processus de délaminage actuel n'avait pratiquement aucun impact sur les performances GMR finales.
Les performances de flexion ont été évaluées à l'aide d'une carte de circuit imprimé flexible conçue sur mesure. Le rapport GMR s'est avéré rester à 2,46 % sur des angles de flexion de 0° à 90° avec une résistance fluctuant de moins de 6 Ω (résistance initiale = 1600 Ω), ce qui souligne encore davantage la durabilité de l'appareil.
« Ces caractéristiques collectives indiquent que le système GMR pourrait être fixé à n'importe quelle partie du corps humain et rester insensible à la courbure naturelle de la peau. Ce système est donc particulièrement précieux pour les applications dans les domaines de la peau intelligente et biomédicale. De plus, en raison de sa nature ultra-mince et flexible, le système GMR pourrait adhérer à n'importe quelle surface plane, offrant des applications potentielles dans divers domaines, notamment la robotique et la transmission de puissance électronique. »
La stabilité à long terme du dispositif GMR a été évaluée à l'aide d'expériences de chargement répétitives. Les résultats ont révélé que même après 500 cycles de chargement (angles de flexion de 0° à 60°), le rapport GMR restait constant à 2,46 %, ce qui souligne que le dispositif GMR restait stable malgré des flexions répétées. Enfin, l'application du dispositif GMR en tant que peau magnétique capable de fournir aux utilisateurs un sixième sens de « perception magnétique » a été évaluée avec succès.
« …il peut être utilisé sur le corps humain pour une pression multisite, en particulier chez les patients présentant un risque de lésions de pression, ou appliqué aux robots pour fournir des capacités de détection de pression haute résolution et des fonctionnalités de type humain. »
Conclusions
L'étude actuelle décrit un procédé de fabrication révolutionnaire pour les dispositifs GMR utilisant un nouveau procédé de fabrication par délaminage électrochimique. Cette approche innovante améliore non seulement l'efficacité, mais ouvre également de nouvelles possibilités pour la fabrication à grande échelle. Les résultats mettent en évidence le développement du premier réseau de capteurs GMR flexible avec une structure à valve de spin et une sensibilité améliorée aux petits champs magnétiques. Notamment, le réseau a démontré une stabilité à long terme malgré des cycles de flexion répétés (500), soulignant ses applications potentielles dans la « peau intelligente » et la détection de pression à haute résolution.
Ce travail représente une première étape importante vers la réalisation de l’objectif de skins électroniques intégrés avancés avec des fonctionnalités améliorées et une longue durée de vie.
