Fabriqué à partir des transistors en silicium les plus performants, un capteur ultra-basse consommation permet de scanner en temps réel le contenu de liquides tels que la transpiration.
Compatible avec l’électronique de pointe, cette technologie est d’une précision rare. De quoi fabriquer de capteurs portables pour contrôler son état de santé.
Imaginons qu’il soit possible, grâce à un minuscule timbre électronique collé sur son bras, de connaître en temps réel pendant son jogging son niveau d’hydratation, de stress ou de fatigue. Un nouveau capteur développé au sein du Laboratoire des dispositifs nanoélectroniques (Nanolab) de l’EPFL constitue un premier pas vers cette application. «L’équilibre ionique dans la transpiration d’une personne peut donner beaucoup d’indications sur son état de santé», indique Adrian Ionescu, directeur du Nanolab. «Notre technologie détecte la présence de particules élémentaires chargées comme les ions et les protons dans de très petites concentrations, ce qui permet de connaître le pH de la sueur, mais aussi d’autres niveaux d’hydratation et de stress. Une adaptation légère permet également de traquer différentes sortes de protéines.»
Une puce deux en un
Publié dans la revue ACS Nano, le capteur se base sur des transistors comparables à ce qu’utilise l’entreprise Intel dans ses microprocesseurs les plus récents. Sur un transistor dernier cri de type «FinFET», les chercheurs ont fixé un canal microfluidique, dans lequel circule la solution à analyser. Lorsque les molécules passent, leur charge électrique perturbe le capteur, permettant de déduire la composition du fluide.
Une seule et même puce comprend non seulement des capteurs, mais aussi des transistors et des circuits permettant d’amplifier le signal, ce qui est novateur. L’astuce repose sur un design complexe, par couches, qui isolent la partie électronique de la substance liquide. «D’habitude, il est nécessaire d’utiliser séparément un capteur pour la détection, et un circuit pour le calcul et l’amplification du signal», explique Sara Rigante, première auteure de la publication. «Dans notre dispositif intégré, capteurs et circuits ont la même architecture et le signal est obtenu sans étapes intermédiaires – ce qui permet d’éviter qu’il ne soit perturbé. Nous obtenons de ce fait des mesures extrêmement stables et précises.»
Mais ce n’est pas tout. Grâce à la taille des transistors – 20 nanomètres – qui sont cent à mille fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu, il est possible de placer sur une seule puce tout un réseau de capteurs, qui repèrent chacun une particule différente. «Dans une prochaine étape, nous pourrons par exemple détecter le taux de calcium, de sodium ou de potassium dans la sueur. Ce sont des indicateurs de notre état de santé,» illustre la chercheuse, qui envisage aussi la détection de protéines révélatrices de certaines maladies.
Un biocapteur d’une stabilité rare
La technologie développée à l’EPFL se démarque de ses concurrents car elle est extrêmement stable, compatible avec l’électronique existante (CMOS), ultra-basse consommation et facilement reproductible sous la forme de grand réseaux de capteurs. «Dans le domaine des biocapteurs, la recherche est intense autour des nanotechnologies, en particulier en ce qui concerne les nanofils de silicium et les nanotubes. Or ces technologies sont souvent instables et donc inutilisables pour l’instant dans les applications industrielles», explique Adrian Ionescu. «Dans le cas de notre capteur, nous sommes partis de technologies de pointe extrêmement performantes, et les avons adaptées. La précision de l’électronique est telle qu’il est facile de cloner notre dispositif par millions tout en conservant exactement les mêmes propriétés. »
La technologie n’est par ailleurs pas du tout gourmande en énergie. «On pourrait alimenter 10’000 capteurs avec une simple cellule solaire», assure le professeur Ionescu.
Choisir les bonnes technologies et la bonne architecture
Pour l’instant, les tests ont été effectués en faisant circuler le liquide à l’aide d’une minuscule pompe. Les chercheurs planchent à présent sur un moyen d’éviter cet accessoire en aspirant la sueur par capillarité, directement dans un tube microfluidiques.
