Laboratoire commun sur les Transducteurs et Micro-convertisseurs Electromécaniques pour applications MédicaleS – Lab-TMEMS

L’importance, en termes de santé publique, des dispositifs médicaux implantables ou miniaturisés est, aujourd’hui, clairement admise par de nombreuses autorités sanitaires nationales et internationales. C’est d’ailleurs, un secteur d’activité qui affiche, depuis plusieurs années, une croissance annuelle de presque 10 %. Ces dispositifs jouent un rôle prépondérant dans de nombreuses applications médicales : l’autonomie des personnes, l’aide au diagnostic, la thérapie localisée ou ciblée, la chirurgie assistée,…etc. Les dispositifs médicaux implantables auxquels s’intéresse le laboratoire commun Lab-TMEMS sont des convertisseurs électromécaniques miniaturisés, capables de convertir de l’énergie mécanique en énergie électrique et inversement, de l’énergie électrique en énergie acoustique. Notre groupe vise, pour initier leur programme de recherche, deux applications majeures :
• Les récupérateurs d’énergie mécanique miniaturisés (typ. 10×5×0,1 mm3 pour 10 ?Watts fournies) capables de capter de l’énergie issue des mouvements cardiaques ou d’autres muscles pour alimenter des dispositifs médicaux implantables et « autarciques ».
• Les réseaux de sources ultrasonores de taille millimétrique capables de produire localement des ultrasons de forte intensité (10-20 Watts/cm2), appelés dispositifs HIFU, pour High Intensity Focused Ultrasound, satisfaisants des demandes croissantes en traitement interstitiel et conformationnel des tumeurs et tissus cancéreux.

Il existe deux procédés de conversion électromécanique compatibles avec les contraintes de miniaturisation : les matériaux piézoélectriques structurés en films épais (quelques dizaines de micromètres – les solutions d’usinage mécanique de céramique massive sont mal adaptées) et les transducteurs capacitifs micro-usinés (aussi appelés cMUTs pour "capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). On sait d’emblée que l’utilisation des matériaux piézoélectriques est incontournable dans la fabrication des systèmes de récupération d’énergie, puisqu’ils ne nécessitent aucune source électrique de polarisation extérieure pour fonctionner. Par contre, pour les applications ultrasonores de forte intensité, l’utilisation des technologies cMUT apparaît comme la piste la plus prometteuse.

Le laboratoire commun Lab-TMEMS s'inscrit dans un engagement collaboratif à long terme visant pour le GREMAN à soutenir scientifiquement toute l'innovation produite par la société VERMON sur le développement de dispositifs électromécaniques médicaux. Sur les trois années à venir, le consortium se donne comme première échéance majeure de concevoir, fabriquer et valider deux produits industriels pour chacune des deux applications précitées. Les problématiques scientifiques et technologiques adressées par le laboratoire couvrent ainsi toute la chaîne de valeur de tels dispositifs, à savoir : modélisation & conception des microconvertisseurs, procédés de dépôt & structuration de matériaux innovants et intégration & connectique. Plus spécifiquement, dès le lancement du projet LabCom, pour les convertisseurs capacitifs intégrés, seront abordés :
• Le développement de modèles tenant compte des matériaux d’encapsulation
• L’élaboration et l’évaluation de matériaux adaptés à des séquences de tirs élevées et à faible vieillissement diélectrique.
• L’intégration 3D de la puce cMUT avec matériaux biocompatibles non atténuants.
• L’optimisation de l’excitation électrique pour limiter les effets des non linéarités.

Pour les structures intégrées à base de films épais piézoélectriques, seront abordés :
• La conception de dispositifs très large bande et très basse fréquence (une dizaine de Hz) au regard des dispositifs à usage industriel.
• La fabrication, l’optimisation, l’évaluation et l’intégration des couches structurées.