Brevet FR3048549A1 — publié le 20170908

Dispositif de commutation électrique Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de commutation électrique agencé pour former une porte logique en employant le principe des transistors électrochimiques organiques. Etat de la technique Il existe de nombreuses publications sur les transistors électrochimiques organiques, plus communément appelés OECT pour « Organic Electrochemical Transistor ». Ces publications sont notamment les suivantes : - A high Transconductance Accumulation Mode Electrochemical Transistor - Sahika Inal et al. - DOI : 10.1002/ADMA.201403150. - Optimization of Organic Electrochemical Transistors for Sensor Applications - Omid Yghmazadeh et al. - DOI :10.1002/polb.22129 - Organic Electrochemical Transistors with Maximum Transconductance at Zero Gate Bias - Jonathan Rivnay et al. - DOI :10.1002/adma.201303080 - Demandes de brevet US20120247976A1, US2013/0270533A1, W002/071505A1. Elles traitent essentiellement du fonctionnement d'un tel transistor de type OECT et de certaines de ses possibles applications. Dans une application de type capteur, il s'avère que l'information analogique de tension fournie en sortie d'un tel transistor doit souvent être traitée par une unité centrale de traitement telle qu'un poste informatique. Si, pour une application particulière, plusieurs capteurs de ce type sont employés en parallèle, les sorties analogiques générées par chacun des capteurs devront nécessairement transiter par une unité centrale de traitement pour déterminer une sortie logique globale. Une telle architecture se trouve donc être particulièrement contraignante. Le but de l'invention est de proposer un dispositif de commutation qui permet d'obtenir facilement une sortie logique, sans passer par une unité centrale, en employant une technologie du type de celle employée dans les transistors électrochimiques organiques. 3048549 2 Exposé de l'invention Ce but est atteint par un dispositif de commutation électrique comprenant un boîtier, au moins une électrode de grille sur laquelle peut être appliqué un potentiel électrique d'entrée, au moins deux entrées, dite première entrée et deuxième entrée, 5 une sortie, et dans lequel : La première entrée comporte un premier compartiment ménagé dans le boîtier, un premier canal drain-source, un premier espace de dépôt d'un premier électrolyte dans ledit premier compartiment, agencé pour être en contact avec l'électrode de grille et le premier canal drain-source, 10 La deuxième entrée comporte un deuxième compartiment ménagé dans le boîtier, un deuxième canal drain-source, un deuxième espace de dépôt d'un deuxième électrolyte dans ledit deuxième compartiment, agencé pour être en contact avec l'électrode de grille et le deuxième canal drain-source, Le premier canal drain-source est connecté électriquement au deuxième 15 canal drain-source, Une borne de sortie du dispositif est connectée électriquement au premier canal drain-source et/ou au deuxième canal drain/source de manière à recevoir un potentiel électrique de sortie en fonction de l'état du courant dans le premier canal drain-source et de l'état du courant dans le deuxième canal 20 drain-source. Selon une particularité, la première entrée comporte : - Une première électrode connectée au drain du premier canal drain source et une deuxième électrode connectée à la source du premier canal drain- 25 source. Selon une autre particularité, la deuxième entrée comporte : Une première électrode connectée au drain du deuxième canal drain-source et une deuxième électrode connectée à la source du deuxième drain-source. Selon une première variante de réalisation, la première électrode de la première 30 entrée est reliée à la deuxième électrode de la deuxième entrée et en ce que la borne de sortie est connectée à une résistance et à la deuxième électrode de la première entrée. Selon une deuxième variante de réalisation, la borne de sortie est connectée à une résistance, à la deuxième électrode de la première entrée et à la deuxième électrode 35 de la deuxième entrée. 3048549 3 Selon une autre variante de réalisation, la première entrée et la deuxième entrée sont connectées à deux résistances de manière à former un pont de Wheatstone. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, chaque entrée fonctionne comme un capteur de type ionique dans lequel une membrane sélective aux 5 ions est positionnée au niveau de l'électrode de grille, une modification de la concentration en ions dans l'électrolyte entraînant une modification du potentiel électrochimique de la membrane et une migration d'ions positifs entre l'électrolyte et le canal drain-source de l'entrée. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, chaque entrée 10 fonctionne comme un capteur enzymatique comportant une enzyme comme électrolyte, cette enzyme dépendant du composé à détecter. Selon ce dernier mode de réalisation particulier, l'enzyme employée comme électrolyte est le Glucose oxydase. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, chaque entrée est 15 fonctionnalisée en fonction du pH de son électrolyte. Selon une autre particularité de l'invention, dans chaque entrée, le canal drain- source est réalisé dans un matériau polymère tel que le poly (3,4- éthylènedioxyth iophène)/Poly(styrènesu lfonate). Selon une autre particularité de l'invention, l'électrode de grille est réalisée dans 20 un matériau conducteur, choisi parmi l'argent/Chlorure d'argent, le poly (3,4- éthylènedioxythiophène)/Poly(styrènesulfonate), ou le Platine. Brève description des figures 25 D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 représente de manière schématique l'architecture d'un transistor de type OECT. - La figure 2A représente de manière schématique l'architecture du dispositif 30 de l'invention, formant une porte logique pouvant fonctionner en NON-OU. - La figure 2B représente le schéma électrique équivalent de la porte logique NON-OU de la figure 2A. - La figure 3A représente de manière schématique l'architecture du dispositif de l'invention, formant une porte logique pouvant fonctionner en NON-ET. 3048549 4 - La figure 3B représente le schéma électrique équivalent de la porte logique NON-ET de la figure 3A. - La figure 4 représente une courbe illustrant la variation de la tension de sortie en fonction du temps dans le dispositif de la figure 2A. 5 - La figure 5 représente un schéma électrique d'un pont de Wheatstone fonctionnant à partir de deux transistors de type OECT. - La figure 6 représente des courbes illustrant le principe de fonctionnement d'un pont de Wheatstone de la figure 5. 10 Description détaillée d'au moins un mode de réalisation En référence à la figure 1, un transistor de type électrochimique organique (désigné aussi transistor OECT) comporte : - Une première électrode G formant la grille du transistor sur laquelle peut être appliqué un potentiel électrique de grille. 15 - Un canal drain-source C formé d'un polymère dopé. - Un électrolyte E destiné à être en contact avec l'électrode de grille G et avec le canal drain-source. - Une deuxième électrode D formant le drain du transistor et une troisième électrode S formant la source du transistor. 20 Le canal drain-source C peut être réalisé dans différents types de matériaux. Il s'agira par exemple d'un polymère tel que le PEDOT :PSS, c'est-à-dire le poly (3,4- éthylènedioxyth iophène)/Poly(styrènesu lfonate). La première électrode G sera par exemple réalisée dans un matériau 25 conducteur, par exemple argent/Chlorure d'argent, PEDOT :PSS, ou Platine. La deuxième électrode D et la troisième électrode S pourront être réalisées dans le même matériau que la première électrode. La fonctionnalisation de la grille permettra de réaliser différents types de capteurs, par exemple de type ionique, de type enzymatique ou de tout autre type. 30 Dans un capteur de type ionique, une membrane sélective aux ions est positionnée au niveau de l'électrode de grille. Une modification de la concentration en ions dans l'électrolyte entraîne une modification du potentiel électrochimique de la membrane, entraînant une migration d'ions positifs entre l'électrolyte et le canal du 3048549 5 transistor. La variation de courant dans le canal drain-source C sera donc corrélée directement à la concentration en ions dans l'électrolyte. Dans un capteur de type enzymatique, il s'agit d'employer une enzyme comme électrolyte, cette enzyme dépendant du composé à détecter. Il s'agira par exemple de 5 Glucose oxydase si l'on souhaite détecter la présence de glucose. Ainsi, le courant obtenu dans le canal sera corrélé à la concentration de glucose ajoutée dans l'électrolyte. Le transistor OECT peut être employé pour réaliser d'autres types de détection en fonctionnalisant sa grille. Il s'agira par exemple d'immobiliser des anticorps à la 10 surface du canal drain-source, permettant ainsi lors de la reconnaissance de l'antigène de modifier l'effet capacitif relatif de l'électrode de grille par rapport au canal drain-source. De même, l'utilisation de cellules, de tissus, d'ADN permettra de fonctionnaliser la grille ou le canal de manière adaptée à l'application de détection visée. De manière générale, un tel transistor OECT fonctionne de la manière 15 suivante : - Une tension négative est appliquée entre la première électrode D formant le drain et la deuxième électrode S formant la source, permettant la création d'un courant dans le canal C. - Un potentiel positif Vg est appliqué sur la première électrode G qui forme la 20 grille, provoquant la migration d'ions positifs en provenance de l'électrolyte E vers le canal C, ce qui entraîne un dé-dopage du canal drain source (voir figure 1) - La conductivité du matériau formant le canal drain-source C diminue et entraîne ainsi une baisse du courant dans le canal drain-source C. 25 En règle générale, ce type de transistor est du type « normalement fermé », c'est-à-dire que l'application d'un potentiel Vg suffisant au niveau de l'électrode G de grille entraînera un blocage du canal drain-source C et donc le passage du transistor à l'état ouvert. 30 L'invention consiste à proposer un dispositif de commutation formant une porte logique en employant le principe des transistors électrochimiques organiques décrits ci-dessus. 3048549 6 Selon l'invention, le dispositif de commutation pourra remplir le rôle d'une porte logique multi-entrées de tout type, par exemple OU, ET, NON-ET, NON-OU, OU Exclusif,... 5 Pour cela, en référence à la figure 2, le dispositif de l'invention 1 comporte un boîtier 10, au moins deux entrées, dite première entrée IN1 et deuxième entrée IN2, et une sortie. Chaque entrée comporte un compartiment 20, 21 séparé de manière étanche, de chaque autre compartiment 20, 21. Chaque compartiment forme un espace dans 10 lequel peut être placé un électrolyte E1, E2 distinct. Chaque compartiment est ménagé dans le boîtier, des parois du boîtier 10 formant les séparations nécessaires entre les compartiments. Le dispositif comporte également au moins une première électrode Gl, formant une électrode de grille, et destinée à être en contact avec l'espace formée dans chacun 15 des deux compartiments 20, 21. Sur les figures annexées, nous avons représenté une seule électrode de grille G1 qui s'étend sur les deux compartiments 20, 21. Bien entendu, on pourrait imaginer avoir deux électrodes de grille distinctes, associées chacune à un compartiment distinct, celles-ci pouvant recevoir un potentiel électrique distinct ou un même potentiel électrique. L'électrode de grille sera ainsi mise en contact avec chacun 20 des électrolytes E1, E2 placés dans les compartiments. La première entrée comporte également un premier canal drain-source Cl associé au premier compartiment 20 et la deuxième entrée comporte un deuxième canal drain-source C2 associé au deuxième compartiment 21 et agencé pour être en communication avec l'espace du compartiment auquel il est associé. Chaque canal 25 drain-source C1, C2 est agencé pour être en contact avec l'électrolyte E1, E2 de son compartiment. Le canal drain-source Cl de la première entrée est donc en contact avec l'électrolyte El de la première entrée et le canal drain-source C2 de la deuxième entrée est en contact avec l'électrolyte E2 de la deuxième entrée. 30 La première entrée comporte également : Une électrode D1 connectée au drain du premier canal drain source Cl et une électrode 51 connectée à la source du premier canal drain-source C1. La deuxième entrée comporte également : 3048549 7 - Une électrode D2 connectée au drain du deuxième canal drain-source C2 et une électrode S2 connectée à la source du deuxième drain-source C2. Le premier canal drain-source Cl et le deuxième canal drain source C2 sont connectés entre eux. 5 Le dispositif de commutation 1 comporte préférentiellement une résistance R1, à partir de laquelle est définie une tension de sortie Vout. La sortie du dispositif de commutation comporte une borne de sortie OUT sur laquelle est détectée la tension de sortie Vout, représentative de l'état du dispositif. La borne de sortie est connectée d'une part à la résistance R1 et d'autre part au premier 10 canal drain-source Cl et/ou au deuxième canal drain-source C2. Selon la connexion de la borne de sortie OUT par rapport à chaque canal drain-source et selon la définition des seuils de commutation, le dispositif pourra fonctionner selon un type de porte logique défini ci-dessus. Ainsi, deux configurations de connexion sont possibles : - 1 ère configuration : Les deux canaux drain-source C1, C2 sont connectés en 15 série et à un potentiel électrique VDD, l'électrode D1 étant reliée à l'électrode S2, et la borne de sortie OUT étant connectée à la résistance R1 et à l'électrode S1 qui est reliée à la source du premier canal (figure 2A). La résistance R1 est connectée à un potentiel électrique VSS. - 2ère configuration : Les deux canaux sont connectés en parallèle et à un 20 potentiel électrique commun VDD, la borne de sortie OUT étant connectée à la résistance R1, à l'électrode S1 reliée à la source du premier canal et à l'électrode S2 reliée à la source du deuxième canal (figure 3). La résistance R1 est connectée à un potentiel électrique VSS. 25 Par ailleurs, pour réaliser la porte logique souhaitée, chaque entrée IN1, IN2 est par exemple configurée de manière à définir un seuil de commutation distinct du seuil de chaque autre entrée. Ainsi, en définissant les seuils de commutation de chaque entrée de manière adaptée, il sera possible d'obtenir la table de vérité qui correspond à 30 la porte logique souhaitée. Différents paramètres permettent de modifier le comportement de chaque entrée. Ces paramètres sont les suivants : 3048549 8 - Géométrie de chaque canal drain-source. La résistivité du canal est liée à sa géométrie, c'est-à-dire à son épaisseur, sa largeur et sa longueur. La transconductance (gm = 1ID/1VG) de l'entrée sera d'autant plus forte que sa conductivité est grande. Ainsi, elle augmentera avec le rapport W*T/L 5 avec W la largeur du canal, L la longueur du canal et T l'épaisseur du canal. Par ailleurs, il faut noter qu'un canal drain-source de plus faible épaisseur sera plus rapide à dé-doper qu'un canal d'épaisseur plus élevée. - Rapport de surfaces entre la surface de la grille pour chaque entrée et la surface du canal drain-source. En jouant sur ce ratio, il est possible de 10 déplacer la tension d'amplification maximum à un potentiel donné. - Epaisseur de la couche d'électrolyte. On peut considérer que plus l'épaisseur de l'électrolyte est importante et plus la diffusion des ions vers le canal drain-source est lente et donc plus la durée pour atteindre un seuil de commutation sera longue. 15 - Dans le cas d'une détection de type enzymatique, l'activité de l'enzyme employée dans l'électrolyte permettra de régler le seuil de commutation. - Le type de matériau employé pour la grille. Le matériau de grille est choisi par rapport au type de détection choisi. 20 En agissant sur ces différents paramètres au niveau de chaque entrée, il est ainsi possible de faire comporter le dispositif de l'invention comme la porte logique souhaitée. En réglant par exemple un premier seuil de commutation pour la première entrée et un deuxième seuil de commutation pour la deuxième entrée, différent du 25 premier seuil, on définit ainsi trois zones distinctes. Dans la première configuration décrite ci-dessus, si l'on considère que le dispositif est à l'état 0 pour une tension de sortie supérieure à une valeur seuil et à l'état 1 pour une tension de sortie inférieure à ladite valeur seuil, en considérant que l'état 1 30 correspond à une réaction sur la grille du transistor, on peut créer une porte logique de type NON-OU avec la table de vérité suivante : 1N1 1N2 OUT 3048549 9 1 1 0 1 0 0 o 1 o 0 0 1 Dans la deuxième configuration décrite ci-dessus, si l'on considère que le dispositif est à l'état 1 pour une tension de sortie inférieure à une valeur seuil et à l'état 0 pour une tension de sortie supérieure à ladite valeur seuil, on crée une porte logique 5 de type NON-ET avec la table de vérité suivante : 1N1 1N2 OUT 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Les autres portes logiques définies ci-dessus pourront être réalisées de la même manière. Par ailleurs, en combinant plusieurs portes logiques du type décrit ci-dessus, il sera également possible de réaliser un circuit logique complet. 10 De manière plus précise mais non limitative, une porte NON-OU telle que définie ci-dessus sera par exemple réalisée de la manière suivante : - Sur un substrat de type PEN, une fine couche d'or est pulvérisée, par exemple à une épaisseur de 30nm. 15 - Après dépôt d'une résine, les motifs de la couche d'or sont réalisés par photolithographie puis gravés par procédé chimique. - Une première couche de PEDOT :PSS est déposée par sérigraphie et subit un recuit de 130°C pendant 30 minutes, pour une épàsseur finale de 500nm. 20 - Une deuxième couche est composée d'un diélectrique (ici le PVDF-TrFE), déposé par sérigraphie et recuit pendant 5 minutes à 100°C. Cette 3048549 10 deuxième couche sert à protéger l'or déposé et délimite les ouvertures pour le dépôt de l'électrolyte. - La dernière couche est formée d'une encre en argent déposée par sérigraphie pour assurer les zones de contact pour les mesures. 5 - L'électrolyte est composé d'un mélange de : o Une solution de 0.1`)owt de chitosan-ferrocene préparée dans de l'acide chlorhydrique à 0.05M. o Un solvant est préparé en mélangeant du MTMOS (Méthyltrimethoxysilane) avec de l'eau à 1/4 avec 10% d'éthanol et 10 3.3% d'acide chlorhydrique à 3.3%. o 201..11 de solution de glucose oxydase à 60mg/ml. - L'électrolyte est déposé dans chaque compartiment du dispositif. - Une solution de glucose est ajoutée dans chacun des deux compartiments. - La figure 4 montre la réponse du dispositif après l'ajout de la solution de 15 glucose dans le premier compartiment 20 à l'instant T1, puis dans le second compartiment 21 à l'instant T2. On remarque une augmentation de la tension de sortie après la modification de chaque entrée du dispositif par l'ajout de solution de glucose. - En considérant que le dispositif est à l'état 0 pour une tension de sortie 20 supérieure à -0.2V et à l'état 1 pour une tension de sortie inférieure à -0.2V, on obtient bien la table de vérité qui correspond à la porte NON-OU définie ci-dessus. La figure 5 représente un dispositif de commutation de type pont de 25 Wheatstone. De manière connue, il comporte deux transistors formant les deux entrées IN1, IN2 et deux résistances R2, R3. Pour bien comprendre le fonctionnement d'un tel dispositif, une source d'alimentation est connectée d'une part au point milieu situé entre les deux résistances R2, R3 et d'autre part au point milieu situé entre les deux transistors. La tension de sortie Vout est mesurée entre les deux noeuds qui séparent 30 les transistors des résistances. Dans cette architecture : 3048549 11 - Lorsque les deux transistors sont dans le même état et si les résistances employées sont identiques, le pont est à l'équilibre et Vout=OV. - Lorsqu'une variation de tension se produit à la grille d'un ou des deux transistors, le pont est déséquilibré, entraînant une variation de la tension 5 de sortie Vout. En employant des transistors de type OECT, chaque entrée IN1, IN2 est fonctionnalisée pour répondre à une cible particulière. Par exemple, la première entrée comporte un électrolyte de type glucose-oxydase et la deuxième entrée comporte une enzyme inactive. En déposant une même solution de glucose dans les deux 10 compartiments des deux entrées, seule la première entrée réagira et il sera possible de détecter la variation de tension de sortie Vout obtenue. La figure 6 illustre le fonctionnement d'un tel pont de Wheatstone en utilisant des entrées fonctionnalisées en fonction du pH de chaque électrolyte. Ainsi, lors de l'ajout de solutions à un pH donné dans chaque compartiment, le potentiel de la grille 15 varie. La réponse du pont de Wheatstone sera alors proportionnelle à la différence de pH entre les deux entrées. La première courbe illustre la variation du pH sur la première entrée. La deuxième courbe représente la variation du pH sur la deuxième entrée. La troisième courbe représente la différence de pH entre les deux entrées. La dernière courbe 20 représente le niveau de la tension de sortie Vout. On remarque bien que la tension de sortie Vout est proportionnelle à la différence de pH mesurée entre les deux entrées. Le dispositif de l'invention décrit ci-dessus pourra être employé dans différentes applications, parmi lesquelles : 25 - La libération automatique de médicaments en temps réel. - La surveillance de l'appareillage d'un patient en fonction de son état physiologique. - La réalisation de diagnostic à partir de plusieurs paramètres présents en entrée. 30 REVENDICATIONS1. Dispositif de commutation électrique (1) comprenant un boîtier (10), au moins une électrode de grille (G1) sur laquelle peut être appliqué un potentiel électrique d'entrée, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux entrées, dite première entrée et deuxième entrée, et une sortie, et en ce que : La première entrée (IN1) comporte un premier compartiment (20) ménagé dans le boîtier, un premier canal drain-source (C1), un premier espace de dépôt d'un premier électrolyte (El ) dans ledit premier compartiment, agencé pour être en contact avec l'électrode de grille (G1) et le premier canal drain- source (C1), La deuxième entrée (IN2) comporte un deuxième compartiment (21) ménagé dans le boîtier, un deuxième canal drain-source (C2), un deuxième espace de dépôt d'un deuxième électrolyte dans ledit deuxième compartiment, agencé pour être en contact avec l'électrode de grille (G1) et le deuxième canal drain-source (C2), et en ce que Le premier canal drain-source (C1) est connecté électriquement au deuxième canal drain-source (C2), Il comporte une borne de sortie (OUT) connectée électriquement au premier canal drain-source (C1) et/ou au deuxième canal drain/source (C2) de manière à recevoir un potentiel électrique de sortie (Vout) en fonction de l'état du courant dans le premier canal drain-source (C1) et de l'état du courant dans le deuxième canal drain-source (C2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première entrée comporte : Une première électrode (D1) connectée au drain du premier canal drain source (01) et une deuxième électrode (S1) connectée à la source du premier canal drain-source (C1). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième entrée comporte : Une première électrode (D2) connectée au drain du deuxième canal drain- source (C2) et une deuxième électrode (S2) connectée à la source du deuxième drain-source (C2). 3048549 13 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première électrode (D1) de la première entrée est reliée à la deuxième électrode (S2) de la deuxième entrée et en ce que la borne de sortie (OUT) est connectée à une résistance (R1) et à la deuxième électrode de la première entrée. 5 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la borne de sortie (OUT) est connectée à une résistance (R1), à la deuxième électrode (S1) de la première entrée et à la deuxième électrode (S2) de la deuxième entrée. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première entrée et la deuxième entrée sont connectées à deux résistances de manière à former un 10 pont de Wheatstone. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque entrée fonctionne comme un capteur de type ionique dans lequel une membrane sélective aux ions est positionnée au niveau de l'électrode de grille, une modification de la concentration en ions dans l'électrolyte entraînant une 15 modification du potentiel électrochimique de la membrane et une migration d'ions positifs entre l'électrolyte et le canal drain-source de l'entrée. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque entrée fonctionne comme un capteur enzymatique comportant une enzyme comme électrolyte, cette enzyme dépendant du composé à détecter. 20 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enzyme employée comme électrolyte est le Glucose oxydase. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque entrée est fonctionnalisée en fonction du pH de son électrolyte. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, dans 25 chaque entrée, le canal drain-source est réalisé dans un matériau polymère tel que le poly (3,4-éthylènedioxythiophène)/Poly(styrènesulfonate). 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'électrode de grille est réalisée dans un matériau conducteur, choisi parmi l' argent/Chlorure d'argent, le poly (3,4-éthylènedioxythiophène)/Poly(styrènesulfonate), ou le 30 Platine.