Les Aiguilles à Utilisation médicale

Présentation du projet

Contexte

Durant certains examens médicaux, des aiguilles sont utilisées pour prélever des tissus ou pour injecter des produits à l’intérieur du corps. Néanmoins pour réaliser ces examens, l’aiguille doit être introduite avec une grande précision pour atteindre la zone souhaitée. L’un des principaux problèmes qui se pose est donc la déformation de l’aiguille quand celle-ci rencontre un corps dur, par exemple un tendon ou un os, ce qui peut se révéler dramatique dans certaines situations.

Pour suivre la déformation de l’aiguille à l’intérieur du corps humain, des techniques d’imagerie médicale ont d’ores et déjà été testées :

l’échographie n’a pas été retenue car sa profondeur de champ est trop limitée pour observer une aiguille de 20 cm

la radiographie a été écartée car une exposition trop longue au rayon X peut s’avérer dangereuse

l’IRM présente un cout trop élevé pour être utilisée dans cette application.

Les médecins modélisent donc actuellement la position de l’aiguille en utilisant deux hypothèses. L’aiguille est considérée comme indéformable et le corps humain comme homogène. Cependant ces hypothèses ont montré leurs limites et les ingénieurs ont essayé de trouver un moyen de mesurer cette déviation en plaçant judicieusement des jauges de déformation le long de l’aiguille.

Etat de l’art

Des expériences avec des macro-jauges de déformation à base métallique ont été menées avec succès. Ces jauges ont été placées le long de l’aiguille suivant trois orientations différentes et un ordinateur permettait de donner la position précise de la pointe de l’aiguille grâce aux déformations mesurées par les jauges.

La prochaine étape de ce projet et d’utiliser des micro-jauges de contrainte piézorésistives afin de pouvoir introduire les aiguilles à l’intérieur du corps humain. Un matériau piézorésistif a comme caractéristique que sa résistance change lorsque celui-ci subit une déformation. On peut alors définir le facteur de jauge d’un matériau piézorésistif k.

La relation donnant la variation de la résistance en fonction de la déformation s’écrit alors :

∆R/R=k . ∆l/l

Pour mesurer la déformation il suffit alors de faire passer un courant constant dans la jauge de contrainte puis de mesurer la tension aux bornes de la jauge. A noter que k peut parfois avoir des valeurs négatives.

La structure présentée lors de la première entrevue est composée des différentes couches de matériaux schématisées ci-dessous :

l’acier inox 316L est l’acier utilisé pour fabriquer les aiguilles.

la couche de Si3N4 est une couche isolante qui permet d’isoler la jauge de déformation de l’aiguille et ainsi éviter de la court-circuiter

la couche de germanium est le matériau piézorésistif

la couche d’or permet de faire le contact électrique, et donc d’acheminer les données vers l’unité de calcul

Les couches d’or et de germanium sont déposées par évaporation ce qui leurs donnent une structures amorphes. Il faut donc faire un recuit pour donner une microstructure au germanium et ainsi lui apporter ses propriétés piézorésistives. Cependant lors de la mise en forme de cet empilement un problème survient : la couche de germanium se détache de la couche isolante de Si3N4 ce qui rend inutilisable la jauge de déformation.

Ce problème est donc au cœur de notre recherche, nous aurons ainsi à imaginer une nouvelle structure qui, théoriquement, pourrait être mise en forme sans dommage. Dans le cas présent, nous aurons principalement à nous concentrer sur l’interface matériau piézorésistif / matériau isolant.

Description de la piézorésistivité

La piézorésistivité est le changement de résistance électrique sous l’effet d’une contrainte. Ce changement de résistance peut être dû à la fois au changement de géométrie sous l’effet de la contrainte et au changement de la résistivité interne du matériau.

Pour une traction uniaxiale dans la direction longitudinale, en différenciant l’expression de la résistance , on obtient l’expression suivante :

,

où est le coefficient de poisson du matériau, ρ0 sa résistivité initiale et la déformation relative longitudinale.

La variation de résistivité étant proportionnelle à la contrainte appliquée, on définit le facteur de jauge par les expressions suivantes :

et , où E est le module d’Young du matériau et π est le coefficient piézorésistif du matériau.

Piézorésistivité des métaux :

Pour un métal, la résistivité varie peu avec la contrainte et les variations de résistance sont principalement dues aux changements de géométrie qui entrainent des changements de résistance. Le facteur de jauge peut donc s’écrire :

, où est le coefficient de poisson du matériau.

Ceci donne lieu à des facteurs de jauges assez faibles, entre 1 et 2, sauf pour certains alliages ou métaux qui ont un facteur de jauge un peu plus élevé (cf. 2.1.1 ).

Piézorésistivité des semi-conducteurs

Pour le Germanium, la piézorésistance vient non seulement du changement de géométrie mais aussi d’un changement intrinsèque de la résistivité du matériau, ce qui conduit à des facteurs de jauge beaucoup plus grands.

On utilise du silicium dopé P ou N, polycritallin ou monocristallin. Le facteur de jauge varie suivant le dopage. Pour le silicium polycristallin, la piézorésistivité est plus faible, mais les techniques de dépôt sont bien plus simples et la piézorésistivité est isotrope.

Cahier des charges

Avant d’entamer notre recherche de matériaux, il a été primordial de définir le cahier des charges de notre jauge piézorésistive. Après notre première réunion avec les différents acteurs de ce projet que sont Agnès Bonvilain, Elisabeth

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