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Techniques

Construction d’une plate-forme de caractérisation et de validation

De Pierre Leleux et Michel Fiocchi des Mines de Saint-Etienne

Publication: Août 2015

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On souhaite ici développer un banc de caractérisation électrique pour transistor organique à applications...
 

L’objectif :

Développer un banc de caractérisation électrique pour transistor organique à applications dans le domaine de la bioélectronique afin de doter le laboratoire d’un outil performant de validation et de fonctionnalisation des dispositifs.

La solution :

Sur la base d’un châssis PXI, associer une SMU 4 voies et deux DMM (mesure de courant de précision) pour obtenir un instrument reconfigurable pour une caracté- risation statique et dynamique d’un dispositif complet, les servitudes du dispositif de mesure étant assurées par une carte multifonction.

OECT : définition et fonctionnement

Les transistors organiques électrochimiques (OECT, pour organic electrochemical transistors), ont été inventés par Wrighton dans les années 1980. Un OECT se compose d’un canal en polymère conjugué placé en contact avec un électrolyte dans lequel est immergée une électrode de grille, tandis que deux électrodes de source et de drain établissent un contact électrique avec le canal. Ce dernier étant dopé, un OECT est généralement en mode actif (canal à haute intensité). Sous l’effet d’une tension de grille, les ions présents dans l’électrolyte pénètrent le film polymère et le dé-dopent, ce qui réduit sa conductivité, diminuant ainsi le courant de canal et faisant passer le transistor en mode inactif. Ainsi, les OECT permettent de convertir les courants ioniques de l’électrolyte en courants électroniques dans le canal polymère.

Applications au monde du vivant

La plupart des signaux biologiques sont basés sur des courants ioniques. Aussi, les OECT ont été employés comme transducteurs de signaux d’origine biologique. Le département de Bioélectronique du Professeur George G Malliaras (EMSE) a prouvé leur utilité dans des domaines variés tels que les neurosciences et les tests toxicologiques in vitro. L’amplification inhérente à l’OECT a notamment permis d’augmenter de plus de 20 dB le rapport «  signal sur bruit » dans le cadre de mesures neurophysiologiques. De plus, il est possible de fonctionnaliser le canal en polymère conjugué et de faire d’un transistor standard un dispositif de pointe dédié à la détection d’activités enzymatiques.

Nécessité d’une plate-forme de caractérisation performante

La fabrication à l’échelle micrométrique d’un dispositif tel qu’un OECT requiert l’intégration de technologies électroniques de pointe, afin de comprendre pleinement ce nouveau composant et de caractériser ses performances. Nous avons choisi les produits National Instruments pour composer notre plate-forme de caractérisation, principalement pour leurs gammes de matériels modulaires de qualité métrologique et pour LabVIEW, qui a facilité le développement de notre interface logicielle personnalisable en fonction de chaque caractérisation. La plate-forme National Instruments que nous avons utilisée pour caractériser l’OECT se compose d’un châssis PXI Express PXIe-1062Q à 8 emplacements et d’un contrôleur PXIe-8135 embarqué avec un processeur Core i7-3610QE. Plusieurs types de mesures (en état stationnaire, analyse de fréquence) de la tension et du courant ont dû être effectués pour comprendre pleinement le comportement de l’OECT. Afin de pouvoir exploiter au mieux toutes les possibilités, nous avons embarqué plusieurs instruments modulaires NI dans notre système PXI :

• un NI PXIe-4145 à 4 voies SMU haute précision

• deux multimètres numériques NI PXI-407

• un NI PXI-6289 d’acquisition de données multifonction.

Tout un ensemble logiciel a ensuite été conçu sous LabVIEW pour s’adapter à l’équipement nécessaire à chaque expérience. Toutes les mesures ont pu être facilement déclenchées et synchronisées à l’aide de l’architecture PXI intégrée au système.

Un banc de caractérisation de l’OECT

Le transistor est caractérisé par les mesures de différents paramètres :

• Caractéristiques en état stationnaire : les mesures des courbes I-V et de transfert expliquent le point de polarisation de l’OECT ainsi que ses principales propriétés en état stationnaire (courant de polarisation, rapport marche/arrêt, transconductance maximale).

• Temps de réponse de l’OECT : ce paramètre définit la vitesse du transistor et correspond à la mesure du courant drain en réaction à une décharge électrique au niveau de la grille.

• Gain du système : dans notre cas, il s’agit de mesurer la transconductance de l’OECT correspondant au mode de fonctionnement du transistor.

• Bande passante et amplification de puissance : la caractérisation fréquentielle de l’OECT est essentielle pour adapter le dispositif à l’application ciblée En utilisant l’équipement NI détaillé dans l’illustration n°1, nous avons été en mesure d’explorer toutes les propriétés physiques de l’OECT, afin de le caractériser et de l’optimiser pour l’utiliser ultérieurement dans des applications biologiques.

Un démonstrateur d’application : la mesure d’ECG

Dans le domaine de l’ingénierie biomédicale, l’innovation est un élément-clé de la conception de composants technologiques hautes performances. Les applications dédiées aux mesures électro-physiologiques sont nombreuses ; elles peuvent notamment être utilisées pour la surveillance de l’activité électrique des organes vitaux tels que le cour, ou pour établir des diagnostics. Dans es deux cas, l’amélioration de la qualité du signal enregistré constitue un atout précieux pour les cliniciens cherchant à comprendre une pathologie.La validation de l’OECT en tant que biocapteur a été effectuée en mesurant l’activité cardiaque d’un volontaire en bonne santé. Comme le montre l’illustration 2, la plate-forme NI développée au préalable a été utilisée pour contrôler le dispositif et mesurer l’activité biologique. Les pics attendus tels que le complexe QRS sont bien définis, en haute résolution, au moyen de la technologie SMU de NI. Son architecture parallèle permet l’enregistrement multivoies, et donc une mesure d’ECG complète.

Demain, une version ambulatoire avec les solutions SOM

Dans les laboratoires de recherches dédiés à la création de nouveaux dispositifs à intégrer dans des applications cliniques, le développement de la plate-forme de caractérisation – utilisée comme banc de test – est une étape cruciale. L’optimisation du transistor dépend de la qualité et de la reproductibilité des mesures. National Instruments donne aux laboratoires de recherches la possibilité de composer leur propre banc de test personnalisé, et de valider leurs technologies à l’aide d’un équipement de grande qualité.La stabilité et la qualité des mesures sont des caractéristiques très appréciées dans le cadre du développement d’outils destinés à des applications électro-physiologiques, étant donné la faible amplitude des signaux à analyser. L’architecture intégrée du contrôleur PXI permet de déclencher très simplement plusieurs acquisitions bien spécifiques, et donc de comprendre les propriétés physiques du dispositif en développement.Enfin, l’intégration du logiciel développé vers une version embarquée du système est facilitée par le fait que NI fournit toutes les technologies nécessaires au transfert, par exemple vers un FPGA.

Références

Les publications suivantes contiennent des informations supplémentaires concernant l’OECT :

• Organic electrochemical transistors for clinical applications, P. Leleux, J. Rivnay, T. Lonjaret, J-M. Badier, C. Bénar, T. Hervé, P. Chauvel, G.G. Malliaras, Advanced Healthcare Materials, 2014, En cours de publication.

• Organic electrochemical transistors with maximum transcon- ductance at zero gate bias, J. Rivnay, P. Leleux, M. Sessolo, D. Khodagholy, T. Hervé, M. Fiocchi, G.G. Malliaras, Advanced Materials, 2013, doi:10.1002/adma.201303080

• High transconductance organic electrochemical transistors, D. Khodagholy, J. Rivnay, M. Sessolo, P. Leleux, L.H. Jimison, E. Stavrinidou, T. Hervé, S. Sanaur, R. Owens, G.G. Malliaras, Nature Communications, 2013, 4, 2133

http://www.mines-stetienne.fr/

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