Un cantilever multicouche pour la détection à l'échelle nanométrique

Les cantilevers sont des composants essentiels des systèmes micromécaniques, ou MEMS : des dispositifs minuscules mais puissants qui intègrent à la fois des parties électroniques et mécaniques. L'extrémité libre d'un cantilever, qui a la forme d'une poutre à une extrémité fixe, sert de sonde pour interagir avec la surface d'un échantillon.

En microscopie à force atomique, par exemple, la force entre un cantilever et un échantillon peut être mesurée à l'aide d'un faisceau laser réfléchi à l'arrière du cantilever, ou à l'aide d'un cantilever à détection automatique. Cependant, malgré l'avantage d'éliminer le besoin d'une installation laser, les cantilevers à détection automatique n'ont pas été largement adoptés en raison de leur sensibilité et de leur fonctionnalité limitées.

Maintenant, la postdoctorante Nahid Hosseini et le Laboratoire de bio et nano instrumentation (LBNI), dirigé par Georg Fantner de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL, ont relevé ce défi. Ils ont mis au point un processus de microfabrication pour créer des cantilevers multicouches à détection automatique, avec un noyau en polymère pris en sandwich entre deux couches de céramique. Les capteurs de déformation sur puce sont intégrés et scellés dans la structure en porte-à-faux, ce qui améliore à la fois la robustesse et la fonctionnalité.

« Outre la réduction par six du bruit de force et l'amélioration de la sensibilité à la déflexion par rapport aux cantilevers traditionnels à détection automatique en silicium, notre conception protège l'électronique de détection entre le noyau polymère et la couche céramique, ce qui signifie qu'elle peut être utilisée pour l'imagerie même dans des environnements liquides chimiquement durs, opaques ou électriquement conducteurs », explique Nahid Hosseini.

La plateforme de microfabrication innovante des équipes a été publiée dans la revue Nature Electronics.

Analyse rapide pour le contrôle de la qualité ou le dépistage du cancer

Pour tester leur dispositif, les chercheurs ont imagé l'œil composé d'une guêpe et ont comparé les résultats avec ceux d'un cantilever conventionnel. Non seulement le cantilever multicouche à détection automatique a détecté la topographie de l'échantillon avec une grande précision, produisant des images de bien meilleure qualité, mais il l'a fait 16 fois plus rapidement que le cantilever conventionnel.

« Le cœur en polymère souple rend notre cantilever multicouche à la fois plus rapide et plus sensible, car il peut être rendu plus épais sans devenir rigide. Les oscillations s'amortissent ou s'estompent plus rapidement avec un cantilever plus épais, ce qui permet une analyse de surface beaucoup plus rapide » explique Nahid Hosseini.

Les prototypes du cantilever multicouche ont déjà suscité l'intérêt d'entreprises internationales, et Nahid Hosseini a fabriqué des dispositifs pour divers secteurs. Maintenant que la conception est brevetée, elle espère lancer une entreprise dérivée au cours de l'année prochaine pour commencer à exploiter son potentiel. Les applications immédiates comprennent l'industrie des semi-conducteurs, par exemple pour le contrôle de la qualité en ligne, et le dépistage médical: la compatibilité unique du cantilever autodétecteur avec les fluides signifie qu'il pourrait changer la donne pour l'analyse rapide du sang ou des tissus.

« Développer cette technologie pendant mon doctorat, tout en accueillant et en élevant mes deux enfants, a été une aventure qui a été encouragée par mes réseaux de soutien professionnel et personnel », se souvient Nahid Hosseini. « Notre cantilever autodétecteur offre des capacités inégalées qui ne sont pas disponibles dans les dispositifs commerciaux actuels. Mon objectif est maintenant de rendre cette technologie accessible à un plus grand nombre d'utilisateurs ».