Le plus petit système monopuce au monde

Des chercheurs annoncent qu’ils ont construit ce qu’ils disent être le plus petit système monopuce au monde, consommant un volume total de moins de 0,1 mm3. Le système est aussi petit qu’un acarien et n’est visible qu’au microscope. Pour y parvenir, l’équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil.

Largement utilisés pour surveiller et cartographier les signaux biologiques, pour soutenir et améliorer les fonctions physiologiques et pour traiter les maladies, les dispositifs médicaux implantables transforment les soins de santé et améliorent la qualité de vie de millions de personnes. Les chercheurs s’intéressent de plus en plus à la conception de dispositifs médicaux implantables sans fil et miniaturisés pour la surveillance physiologique in vivo et in situ. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller les conditions physiologiques, telles que la température, la pression sanguine, le glucose et la respiration, dans le cadre de procédures diagnostiques et thérapeutiques.

Jusqu’à présent, l’électronique implantée conventionnelle a été très peu volumineuse : elle nécessite généralement de multiples puces, emballages, fils et transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage de l’énergie. Une tendance constante dans l’électronique a été l’intégration plus étroite des composants électroniques, en déplaçant souvent de plus en plus de fonctions sur le circuit intégré lui-même.

Des chercheurs de Columbia Engineering annoncent qu’ils ont construit ce qu’ils disent être le plus petit système monopuce du monde, consommant un volume total de moins de 0,1 mm3. Le système est aussi petit qu’un acarien et n’est visible qu’au microscope. Pour y parvenir, l’équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil. L’étude a été publiée en ligne le 7 mai dans Science Advances.

« Nous voulions voir jusqu’où nous pouvions repousser les limites de la taille d’une puce fonctionnelle que nous pouvions fabriquer », a déclaré le responsable de l’étude, Ken Shepard, professeur d’ingénierie électrique et professeur d’ingénierie biomédicale de la famille Lau. Il s’agit d’une nouvelle idée de « puce en tant que système » : une puce qui, à elle seule, sans rien d’autre, constitue un système électronique complet et fonctionnel. Cela devrait être révolutionnaire pour le développement de dispositifs médicaux implantables sans fil et miniaturisés qui peuvent détecter différentes choses, être utilisés dans des applications cliniques et finalement approuvés pour un usage humain. »

L’équipe comprenait également Elisa Konofagou, titulaire de la chaire Robert et Margaret Hariri d’ingénierie biomédicale et professeur de radiologie, ainsi que Stephen A. Lee, doctorant du laboratoire Konofagou, qui a participé aux études sur les animaux.

La conception a été réalisée par le doctorant Chen Shi, qui est le premier auteur de l’étude. La conception de Chen Shi est unique par son efficacité volumétrique, c’est-à-dire la quantité de fonctions contenues dans un volume donné. Les liaisons de communication RF traditionnelles ne sont pas possibles pour un appareil aussi petit, car la longueur d’onde de l’onde électromagnétique est trop grande par rapport à la taille de l’appareil. Les longueurs d’onde des ultrasons étant beaucoup plus petites à une fréquence donnée parce que la vitesse du son est bien inférieure à celle de la lumière, l’équipe a utilisé les ultrasons pour alimenter le dispositif et communiquer avec lui sans fil. Ils ont fabriqué l' »antenne » pour communiquer et s’alimenter en ultrasons directement sur la puce.

La puce, qui constitue l’intégralité de la mote implantable/injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée par la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, des modifications supplémentaires ayant été apportées au processus dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative et dans le centre de nanofabrication de l’Advanced Science Research Center (ASRC) de la City University of New York.

M. Shepard a déclaré : « Il s’agit d’un bel exemple de technologie « plus que Moore » : nous avons introduit de nouveaux matériaux dans un métal-oxyde-semiconducteur complémentaire standard pour lui conférer une nouvelle fonction. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré pour transposer l’énergie acoustique en énergie électrique. »

M. Konofagou a ajouté : « L’importance clinique des ultrasons ne cesse de croître à mesure que de nouveaux outils et techniques deviennent disponibles. Ce travail s’inscrit dans cette tendance. »

L’objectif de l’équipe est de mettre au point des puces qui peuvent être injectées dans le corps à l’aide d’une aiguille hypodermique et qui communiquent ensuite avec l’extérieur du corps à l’aide d’ultrasons, fournissant des informations sur quelque chose qu’elles mesurent localement. Les dispositifs actuels mesurent la température du corps, mais l’équipe travaille sur de nombreuses autres possibilités.

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