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En raison de la forte demande de capteurs dans une grande variété de domaines d'application, il existe des exigences très différentes pour leur fonctionnalité et leur profil de performance. Par conséquent, l'objectif principal des travaux de recherche de Fraunhofer IPMS est de développer des capteurs et des systèmes de capteurs personnalisés et spécifiques à l'application. Ce faisant, les produits existants sont élargis et de nouvelles applications sont rendues possibles grâce à l'utilisation de technologies, de composants et de systèmes innovants. Ceux-ci se caractérisent par une plus grande précision, des dimensions plus petites, une meilleure efficacité énergétique et des fonctions supplémentaires par rapport aux capteurs standard. La gamme de services s'étend de la conception et du développement de prototypes à la production pilote dans les propres laboratoires et salles blanches de l'institut - des composants aux systèmes complets. L'ajout combiné d'intelligence artificielle (logiciel d'IA) permet également le développement de systèmes « intelligents » complets.

Les derniers développements de la technologie des capteurs optiques, chimiques et à ultrasons de Fraunhofer IPMS présentés au salon SENSOR+TEST à Nuremberg en mai 2023 sont détaillés ci-dessous.

Image ci-dessus : capteur à ultrasons de Fraunhofer IPMS. Droits d'auteur : © Fraunhofer IPMS.

Fraunhofer IPMS propose des systèmes innovants d'analyse spectrale dans le proche infrarouge (NIR) compacts et ultra-compacts. De plus, l'institut présente, pour la première fois, un démonstrateur utilisant l'analyse spectrale pour détecter la composition des textiles. Le domaine d'application ouvre de nombreuses possibilités tout au long de la chaîne de valeur. De cette façon, les matériaux peuvent être vérifiés par l'acheteur au moment de l'achat. Dans le domaine des soins, le besoin de nettoyage peut être identifié en analysant les particules de saleté, et un programme de lavage approprié peut être déterminé sur la base de la couleur et des matériaux. Surtout dans le cadre de l'Ambient Assisted Living, des domaines d'application polyvalents sont concevables. Le système peut également être utilisé en relation avec le recyclage textile pour trier les textiles en fonction de la couleur et des matériaux.

Les autres domaines d'application des systèmes d'analyse spectrale Fraunhofer IPMS incluent les tests de fraîcheur des aliments, le tri des objets en plastique lors du recyclage ou la détermination du type et de la concentration des matières premières dans les produits pharmaceutiques. Les systèmes peuvent être adaptés de manière flexible à différentes plages spectrales lors du processus de conception.

Grâce à la combinaison de la spectroscopie proche infrarouge "à point unique" avec une imagerie RVB simple, une détermination maximale des informations est obtenue, ce qui permet la connexion à des systèmes intelligents avec un logiciel d'IA. Un développement continu du système est prévu. Dans ce contexte, une gamme spectrale plus large dans la gamme UV est ciblée afin de rendre visibles les contaminations telles que les moisissures et les bactéries.

Dans le domaine des capteurs chimiques, les scientifiques de Fraunhofer IPMS présentent une puce analytique électrochimique qui, avec ses microélectrodes en or, argent ou platine, permet de nombreuses procédures d'analyse électrochimique avec les plus petites quantités d'analyse. Les domaines d'application sont, par exemple, le développement de matériaux de semi-conducteurs organiques ou le contrôle de réaction hors ligne ainsi que l'analyse électrochimique des fluides corporels.

Images au microscope de puces analytiques électrochimiques, avec électrode de travail (WE), contre-électrode (CE) et électrode de référence (RE). Les puces ont une taille de 5x5 mm². Droits d'auteur : Fraunhofer IPMS.

Pour la détection des ions, de la conductivité ionique et de la température dans les solutions aqueuses, l'institut développe des capteurs à base de transistors à effet de champ sensibles aux ions (ISFET) et une technologie d'intégration connectable. Cela permet, par exemple, une mesure de pH sans électrode de référence conventionnelle, qui peut être réalisée sur une puce comprenant un capteur de conductivité et de température. La puce peut être stockée au sec et peut être intégrée dans un environnement CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). La modification des couches du capteur permet également d'ajuster la sensibilité pour des ions ou des molécules spécifiques.

Fraunhofer IPMS travaille également à la poursuite du développement d'un spectromètre à mobilité ionique (IMS), qui sera utilisé à l'avenir pour la détection portable et rapide des gaz pertinents. La technologie permet la détection d'analytes ionisables dans la plage de concentration ppm et ppb directement dans l'air et doit être utilisée en particulier dans les analyses environnementales, alimentaires et biomédicales. Les substances détectables proviennent, par exemple, du groupe des composants organiques volatils (COV) tels que l'acétone ou le toluène, qui sont d'une grande importance dans la reconnaissance de marqueurs ou la détection de polluants. Pour cette analyse des traces de gaz, Fraunhofer IPMS a développé un composant modulaire qui peut être utilisé avec les clients et les partenaires de coopération pour des développements de produits spécifiques à l'application. Le concept unique sous-jacent d'intégration de composants, de technologies et de systèmes va au-delà des solutions existantes sur le marché et promet donc de proposer des solutions innovantes dans le domaine de la technologie des capteurs de gaz à l'avenir.

Structure schématique d'une puce analytique électrochimique qui peut être insérée et mise en contact dans l'adaptateur de mesure illustré à droite. Droits d'auteur : Fraunhofer IPMS.

En raison de leur petite taille, le développement d'appareils mobiles permet des mesures directement sur site, par exemple pour détecter des émissions nocives à des endroits critiques ou pour aider le personnel médical dans le diagnostic ou le traitement. De plus, l'accès aux technologies des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) permet aux puces IMS d'être réalisées de manière rentable en grandes quantités. L'objectif est de fournir des appareils mobiles largement utilisés par les profanes et déployés dans divers scénarios d'application.

Dans le domaine de la technologie des capteurs à ultrasons, Fraunhofer IPMS développe des CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers), qui peuvent générer des fréquences de vibration jusqu'à la plage inférieure du MHz. Les domaines d'application incluent la maintenance prédictive en conjonction avec l'IA de pointe, la reconnaissance gestuelle et le contrôle des équipements, et la détection de distance comme alternative aux systèmes optiques ou radar. Cela implique de mesurer les changements de distance entre la main et les capteurs au fil du temps. Sur le stand, l'institut présentera la procédure de détermination des concentrations d'hydrogène dans les mélanges gazeux jusqu'à 100 %. Les CMUT sont également utilisées dans le domaine médical. Lors du salon, Fraunhofer IPMS présente un démonstrateur de spiromètre. Le système d'analyse de la fonction pulmonaire fait partie d'un système de surveillance des patients décentralisé et contrôlé par l'IA. La technologie avancée du capteur à ultrasons CMUT permet une contribution importante au développement d'un spiromètre mobile et puissant.

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