211service.com
Składane, rozciągliwe obwody
Naukowcy z University of Illinois, Urbana Champaign i Northwestern University w Evanston w stanie Illinois wykazali, że obwody elektryczne można zginać i rozciągać, zachowując jednocześnie wydajność obwodów zbudowanych na sztywnych waflach. Te giętkie obwody, wykonane z cienkich arkuszy krzemu na plastiku lub gumie, mogą utorować drogę do takich zastosowań, jak ubieralne komputery i wszczepialne systemy monitorowania zdrowia.
Rozciąganie silikonu: Górny obraz przedstawia skręcony obwód silikonowy na elastycznym polimerze. Poniżej znajdują się mikrofotografie optyczne falowników – elementów układu – z powyższego układu. Fale w obwodzie są spowodowane faktem, że został on przymocowany do polimeru podczas rozciągania polimeru. Widziany tutaj polimer jest w stanie zrelaksowanym.
John Rogers , profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie Illinois, wraz z kolegami wykazali, że można użyć ultracienkiego krzemu do budowy całych arkuszy składanych i rozciągliwych obwodów wykonanych z urządzeń takich jak tranzystory, wzmacniacze i bramki logiczne. Wyniki zostały opublikowane w tym tygodniu Nauka . Wcześniej Rogers wykonywał składane i rozciągliwe wstążki tranzystorów krzemowych, ale nowe prace pokazują, że możliwe jest wykorzystanie tej techniki do układania arkuszy złożonych obwodów na rozciągliwych powierzchniach. Rozszerzyliśmy pojęcie na poziomie obwodów, aby cały system obwodów był jak najcieńszy, mówi Rogers. Cała grubość wynosi 1,5 mikrona, wliczając w to podłoże z tworzywa sztucznego, metalizację, krzem, dielektryki – wszystko. Obwód o tak cienkiej obudowie jest naturalnie podatny na zginanie tylko przez mechanikę.
Zginalna elektronika nie jest niczym nowym: naukowcy wcześniej stemplowali, drukowali i rozpylali obwody na plastikowych arkuszach. Jednak obwody te są wykonane z organicznych materiałów półprzewodnikowych – przydatnych w zastosowaniach takich jak tranzystory w zwijanych wyświetlaczach, ale po prostu zbyt wolnych, aby można je było wykorzystać do bardziej złożonych obliczeń.
W 2005 roku Rogers znalazł sposób na zgięcie i rozciągnięcie monokrystalicznego krzemu – takiego, jakiego używa się do produkcji chipów komputerowych – poprzez przyklejenie jego ultracienkich wstęg do naprężonych gumopodobnych podłoży, a następnie pozwolenie gumie z powrotem na swoje miejsce. (Patrz Rozciągliwy krzem.) Ponieważ krzem był tak cienki — miał tylko kilkaset nanometrów grubości — wyginał się, nie pękając, tworząc fale na gumie, które można było wielokrotnie rozciągać.
Multimedia
Zobacz wyboczenie ultracienkiego elementu obwodu krzemowego.
Nowa praca wykorzystuje tę ultracienką geometrię do tworzenia dwóch rodzajów obwodów. Jeden typ jest po prostu składany: obwody na bazie krzemu zostały umieszczone na nienaprężonych plastikowych arkuszach, w wyniku czego obwody można złożyć jak kawałek papieru. Aby upewnić się, że obwód będzie działał dobrze bez względu na kierunek, w którym jest skręcony lub wygięty, naukowcy umieszczają krzem lub jakakolwiek część obwodu jest najbardziej delikatna, w odległości między górną i dolną częścią arkusza obwodu, która doświadcza najmniej ilość naprężenia. Umieszczenie delikatnych elementów obwodu w odpowiednim miejscu w płytce obwodu optymalizuje elektronikę i pozwala im pracować tak dobrze, jak na twardym wafelku, mówi Rogers.
Naukowcy stworzyli drugi typ obwodu, biorąc zoptymalizowane arkusze obwodów i łącząc je ze wstępnie rozciągniętą gumą, która została rozciągnięta w obu kierunkach. Kiedy guma może się rozluźnić, warstwa silikonu wygina się w złożony, falisty wzór, mówi Rogers. Całkowicie rozumiemy, dzięki obszernemu modelowaniu analitycznemu i obliczeniowemu przedstawionemu w artykule, jak formują się te faliste kształty i jak układy obwodów… określają geometrię przestrzenną [fal], mówi. Chociaż składane obwody są w pełni zoptymalizowane, mówi, że jego zespół nadal pracuje nad optymalizacją rozciągliwych obwodów. Rogers mówi, że ponieważ naukowcy mogą zlokalizować pozycje w obwodzie, w których tworzą się faliste struktury po uwolnieniu gumy, mogą wybrać te miejsca, aby nie zachodziły na żadne delikatne lub wrażliwe na naprężenia elementy obwodu. Ten aspekt jest udoskonaleniem obecnej pracy, zauważa i pojawi się w przyszłym artykule.
Badania oferują całkowicie nową koncepcję obwodu, mówi Zhenqiang Ma , profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Wisconsin-Madison. Wcześniej Ma zbudował ultraszybkie tranzystory krzemowe na podatnych na zginanie podłożach, które działają na wysokich częstotliwościach, co czyni je przydatnymi na przykład w antenach montowanych na skrzydłach samolotów. (Patrz Rekordowa prędkość elastycznego krzemu.) Podczas gdy tranzystory Rogersa są wolniejsze, jego układy scalone mają tę zaletę, że zostały zaprojektowane z myślą o falistej geometrii cienkiego krzemu, dzięki czemu można je zoptymalizować na rozciągliwym podłożu.
Rogers mówi, że dziedziną, w której składane i rozciągliwe mogą być obwody, jest neuronauka. (Patrz TR10: Spersonalizowane monitory medyczne). Pracuje nad projektem, który mógłby umożliwić owinięcie się cienkiej warstwy elektroniki wokół mózgu, monitorując aktywność elektryczną pod kątem wskaźników przyszłych napadów u osób z padaczką. Ponadto Rogers i jego koledzy budują lateksowe rękawiczki chirurgiczne ze zintegrowaną elektroniką, która może zwiększyć funkcjonalność wykrywania lub, w niektórych przypadkach, zapewniać dotykową informację zwrotną podczas szkolenia studentów chirurgii.
Istnieje wiele zastosowań dla tych nowych typów obwodów, mówi Ma. W niektórych zastosowaniach jedynym wyborem mogą być układy scalone rozciągliwe i składane. Dodaje, że nowa koncepcja układu scalonego wypełniła ważną lukę aplikacyjną, której nie są w stanie wypełnić sztywne układy scalone.