211service.com
Skládací, roztažitelné obvody
Výzkumníci z University of Illinois, Urbana Champaign a Northwestern University v Evanstonu, IL, prokázali, že elektrické obvody lze vyrobit tak, aby se skládaly a natahovaly, a přitom stále odpovídaly výkonu obvodů postavených na pevných waferech. Tyto ohebné obvody, vyrobené z tenkých plátů křemíku na plastu nebo pryži, by mohly připravit cestu pro takové aplikace, jako jsou nositelné počítače a implantovatelné systémy pro sledování zdraví.
Napínací silikon: Horní obrázek je kroucený silikonový obvod na pružném polymeru. Pod ním jsou optické mikrofotografie invertorů – součástek obvodu – z výše uvedeného obvodu. Zvlnění v obvodu je způsobeno skutečností, že byl připevněn k polymeru, když byl polymer natažen. Jak je zde vidět, polymer je v uvolněném stavu.
John Rogers , profesor materiálové vědy na University of Illinois, a jeho kolegové prokázali, že je možné použít ultratenký křemík k vytvoření celých listů skládacích a roztažitelných obvodů vyrobených ze zařízení, jako jsou tranzistory, zesilovače a logická hradla. Výsledky byly zveřejněny v tomto týdnu Věda . Dříve Rogers vyráběl skládací a roztažitelné pásky z křemíkových tranzistorů, ale nová práce ukazuje, že je možné použít tuto techniku k umístění listů složitých obvodů na roztažitelné povrchy. Rozvinuli jsme tento pojem na úrovni okruhu, aby byl celý systém okruhů co nejtenčí, říká Rogers. Celková tloušťka je 1,5 mikronu a zahrnuje plastový substrát, metalizaci, křemík, dielektrika – všechno. Obvod s tak tenkým tvarovým faktorem je přirozeně ohýbatelný pouze mechanikou.
Ohýbatelná elektronika není novinkou: výzkumníci již dříve vyráželi, tiskli a stříkali obvody na plastové fólie. Tyto obvody jsou však vyrobeny z organických polovodičových materiálů – užitečné pro aplikace, jako jsou tranzistory v roll-up displejích, ale prostě příliš pomalé na to, aby je bylo možné použít pro složitější výpočty.
V roce 2005 Rogers našel způsob, jak vyrobit monokrystalický křemík – druh, který se používá k výrobě počítačových čipů – skládat a natahovat přilepením jeho ultratenkých proužků k napnutým pryžovým substrátům a poté nechat pryž zaklapnout zpět na místo. (Viz Roztažitelný křemík.) Protože byl křemík tak tenký – jen několik set nanometrů tlustý –, prohýbal se, aniž by se zlomil, do vln na gumě, které bylo možné znovu a znovu natahovat.
Multimédia
Podívejte se na vyboulení ultratenké součásti s křemíkovým obvodem.
Nová práce využívá tuto ultratenkou geometrii k vytvoření dvou typů obvodů. Jeden typ je pouze skládací: obvody na bázi křemíku byly umístěny na nenapnutých plastových fóliích, což vedlo k obvodům, které lze složit jako kus papíru. Aby bylo zajištěno, že obvod bude dobře fungovat bez ohledu na to, jakým směrem je zkroucený nebo ohnutý, vědci umístí křemík nebo kteroukoli část obvodu, která je nejkřehčí, do vzdálenosti mezi horní a spodní částí desky obvodu, která je nejméně vystavena. množství kmene. Umístění křehkých součástí obvodu na vhodné místo v desce s obvody optimalizuje elektroniku a umožňuje jim pracovat stejně dobře jako ty na pevném plátku, říká Rogers.
Výzkumníci vytvořili druhý typ obvodu tím, že vzali optimalizované obvodové listy a připojili je k předem natažené pryži, která byla prodloužena v obou směrech. Když se guma nechá uvolnit, silikonová vrstva se vyboulí do složitého vlnitého vzoru, říká Rogers. Prostřednictvím rozsáhlého analytického a výpočtového modelování prezentovaného v tomto článku zcela rozumíme tomu, jak se tyto vlnité tvary tvoří a jak rozložení obvodů… určují prostorové geometrie [vln], říká. Přestože jsou skládací obvody plně optimalizovány, říká, že jeho tým stále pracuje na optimalizaci roztažitelných obvodů. Vzhledem k tomu, že výzkumníci mohou lokalizovat pozice napříč obvodem, kde se po uvolnění pryže vytvoří zvlněné struktury, mohou si vybrat tato místa tak, aby nepřekrývala žádné křehké nebo na napětí citlivé součásti obvodu. Tento aspekt je vylepšením současné práce, poznamenává, a objeví se v budoucím dokumentu.
Výzkum nabízí zcela nový koncept obvodu, říká Zhenqiang Ma , profesor elektrotechniky a počítačových věd na University of Wisconsin-Madison. Ma již dříve postavila ultrarychlé křemíkové tranzistory na ohebných substrátech, které pracují na vysokých frekvencích, takže jsou užitečné například pro antény zabudované na křídlech letadel. (Viz Rekordní rychlost pro flexibilní křemík.) Zatímco Rogersovy tranzistory jsou pomalejší, jeho integrované obvody mají tu výhodu, že jsou navrženy s ohledem na zvlněnou geometrii tenkého křemíku, takže je lze optimalizovat na pružném substrátu.
Rogers říká, že jednou oblastí, ve které by mohly být skládací a roztažitelné obvody užitečné, je neurověda. (Viz TR10: Personalizované lékařské monitory.) Pracuje na projektu, který by mohl umožnit, aby se tenký plát elektroniky obalil kolem mozku a monitoroval elektrickou aktivitu pro ukazatele budoucích záchvatů u lidí s epilepsií. Rogers a jeho kolegové navíc vyrábějí latexové chirurgické rukavice s integrovanou elektronikou, která by mohla funkčně přidat snímání nebo v některých případech poskytnout hmatovou zpětnou vazbu pro trénující studenty chirurgie.
Existuje mnoho aplikací pro tyto nové typy obvodů, říká Ma. V některých aplikacích … roztažitelné a skládací integrované obvody mohou být jedinou volbou. Dodává, že nový koncept integrovaného obvodu zaplnil důležitou aplikační mezeru, kterou pevné obvody založené na čipu nemohou zaplnit.