Spectromètre miniature et durable pour les applications portables

Spectromètre miniature et durable pour les applications portables

Illustration conceptuelle des stratégies utilisées pour réaliser une puce de spectromètre miniature ultra-mince utilisant un réseau d’encodeurs spectraux et de photodétecteurs à base de GaN sur la même puce. Une source lumineuse est également intégrée à l’appareil. Crédit : Université du Michigan

Les chercheurs ont développé un spectromètre à l’échelle d’une puce ultra-mince qui convient aux applications portables. Le dispositif robuste de laboratoire sur puce au nitrure de gallium peut également résister à des environnements difficiles avec des radiations sévères, telles que l’exploration spatiale, ou à des températures élevées, et peut être adapté pour effectuer des analyses de sang en projetant simplement de la lumière sur la peau. Il mesure à peine 0,16 mm2.

“En tant qu’appareil portable, nous pourrons placer notre appareil sur un substrat flexible, tel que des feuilles ou du tissu, ou peut-être sur la peau”, a déclaré le chercheur doctorant Tuba Sarwar.

Un spectromètre utilise la spectroscopie pour glaner un large éventail d’informations sur une substance en fonction de la façon dont elle absorbe et réfléchit la lumière. La spectroscopie optique, qui mesure le spectre d’un signal optique, fait partie des méthodes de spectroscopie les plus répandues. Plus précisément, il mesure la densité de puissance spectrale relative du spectre à différentes longueurs d’onde.

Le prototype de spectromètre optique créé par Sarwar et d’autres membres de l’équipe du professeur PC Ku a été initialement développé dans un but précis : mesurer la transpiration d’un athlète dans un appareil pouvant être porté comme un patch cutané. Cette application a été déterminée par l’initiative des sciences de l’exercice et du sport (ESSI) de l’UM. L’appareil n’a pas besoin de durer longtemps; en fait, être jetable était un plus.

La fabrication d’un tel appareil nécessiterait une miniaturisation extrême des appareils actuels disponibles sur le marché, qui mesurent plus près de 12 pouces cubes et coûtent des centaines à des milliers de dollars. Cela nécessiterait également de créer un appareil capable de fonctionner en temps réel dans des conditions changeantes.

“Sur le plan commercial, il existe de nombreux spectromètres qui peuvent fonctionner mieux que le nôtre”, a déclaré Sarwar. “Mais notre objectif était la miniaturisation, en particulier l’épaisseur de l’appareil. Ces deux caractéristiques peuvent nous donner une analyse d’un échantillon actif, comme la sueur. Nous n’avons pas besoin d’aller en laboratoire pour utiliser des instruments sophistiqués pour obtenir des mesures très précises. .”

La référence de Sarwar à un laboratoire souligne la réalité que la plupart des spectromètres disponibles dans le commerce nécessitent un système de paillasse composé de plusieurs éléments optiques distincts : 1) une source lumineuse pour exciter l’échantillon ; 2) des encodeurs spectraux pour traduire la lumière de l’échantillon en une sortie lisible ; et 3) des photodétecteurs pour traduire le signal codé dans le spectre.

Parmi ces trois éléments, les codeurs spectraux occupent souvent le plus d’espace ou d’épaisseur ce qui rend difficile une fine feuille de spectromètre pouvant convenir à des applications épidermiques.

Spectromètre miniature et durable pour les applications portables

L’étudiant diplômé Tuba Sarwar teste le spectromètre portable en laboratoire. Crédit : Université du Michigan

Ku, Qu et leur équipe ont relevé le défi de créer un appareil qui pourrait atteindre l’objectif d’ESSI et ont créé un appareil intégré miniaturisé à faible consommation d’énergie qui fonctionne dans la lumière visible, en particulier dans la plage de longueurs d’onde de 400 à 645 nm.

Le spectromètre de l’équipe comprend seulement 16 photodétecteurs, chacun répondant à un spectre unique de la lumière. Ce faible nombre de photodétecteurs a été rendu possible grâce à deux techniques clés.

Tout d’abord, l’équipe a utilisé l’ingénierie des contraintes sur des codeurs spectraux à base de nitrure de gallium (GaN). L’ingénierie des contraintes est une technique utilisée, par exemple, dans la fabrication de semi-conducteurs dans laquelle le matériau est contraint ou déformé. Fait correctement, il peut conduire à de nouvelles propriétés de matériaux mieux adaptées à des applications spécifiques. Les semi-conducteurs GaN ont été sélectionnés comme matériau de base en raison de leurs excellentes propriétés optiques sur tout le spectre visible.

Le résultat souhaité d’une dépendance considérablement réduite à l’angle de la lumière a été atteint, ce qui a éliminé le besoin d’un positionnement précis du spectromètre et de l’optique associée. Cela permettait également aux photodétecteurs de résider aux côtés des encodeurs spectraux sur la même puce.

Deuxièmement, l’équipe a intégré l’apprentissage automatique dans le fonctionnement de l’appareil afin de décoder le signal émis par le détecteur. Le chercheur doctorant Can Yaras a utilisé un algorithme simple des moindres carrés non négatifs (NNLS) pour permettre à un algorithme de calcul efficace de récupérer les informations spectrales du signal des détecteurs.

En termes de performances, l’appareil était très précis dans la détermination des longueurs d’onde maximales (avec un écart type de 0,97 %), mais moins précis dans la mesure du rapport d’intensité sur différentes positions de pic (avec un écart type de 21,1 %, ou 10,4 % après suppression une valeur aberrante).

L’équipe s’attend à ce que la lecture des rapports d’intensité puisse être améliorée en augmentant le nombre de photodétecteurs et en développant davantage l’algorithme d’apprentissage automatique, par exemple en appliquant des techniques d’apprentissage en profondeur. Ils travaillent également sur plusieurs autres améliorations du spectromètre prototype.

“Notre objectif n’était pas de construire le meilleur spectromètre au monde en termes de résolution”, a déclaré Ku, “mais de nous concentrer sur d’autres aspects tout aussi passionnants, sinon plus : la taille, l’épaisseur, la consommation d’énergie et la facilité d’utilisation.”

Le travail est publié dans la revue Nano-lettres.

En termes d’applications futures, Sarwar dit que ce spectromètre miniature pourrait être intégré dans un patch cutané pour la surveillance et le diagnostic de la santé. L’avantage qu’il aurait par rapport aux dispositifs existants est le fait que la source lumineuse d’excitation peut également être facilement intégrée. La dureté de rayonnement des semi-conducteurs GaN rend également le dispositif potentiellement adapté à l’exploration spatiale.

Plus d’information:
Tuba Sarwar et al, Miniaturisation d’un spectromètre à l’échelle de la puce à l’aide de l’ingénierie des déformations locales et de la reconstruction régularisée à variation totale, Nano-lettres (2022). DOI : 10.1021/acs.nanolett.2c02654

Fourni par l’Université du Michigan

Citation: Spectromètre miniature et durable pour applications portables (29 novembre 2022) récupéré le 9 décembre 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-11-miniature-durable-spectrometer-wearable-applications.html

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