211service.com
Opvouwbare, rekbare circuits
Onderzoekers van de University of Illinois, Urbana Champaign en Northwestern University, in Evanston, IL, hebben aangetoond dat elektrische circuits kunnen worden gemaakt om te vouwen en uit te rekken en toch de prestaties van circuits die op stijve wafels zijn gebouwd, te evenaren. Deze buigbare circuits, gemaakt van dunne lagen silicium op plastic of rubber, kunnen de weg vrijmaken voor toepassingen als draagbare computers en implanteerbare systemen voor gezondheidsbewaking.
Silicium uitrekken: De bovenste afbeelding is van een gedraaid siliciumcircuit op een flexibel polymeer. Daaronder zijn optische microfoto's van omvormers - circuitcomponenten - van het bovenstaande circuit. De rimpelingen in het circuit zijn te wijten aan het feit dat het aan het polymeer was bevestigd toen het polymeer werd uitgerekt. Hier gezien bevindt het polymeer zich in een ontspannen toestand.
John Rogers , een professor in materiaalkunde aan de Universiteit van Illinois, en zijn collega's hebben aangetoond dat het mogelijk is om ultradun silicium te gebruiken om hele vellen opvouwbare en rekbare circuits te bouwen die zijn gemaakt van apparaten zoals transistors, versterkers en logische poorten. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Wetenschap . Eerder maakte Rogers opvouwbare en rekbare linten van siliciumtransistors, maar het nieuwe werk laat zien dat het mogelijk is om de techniek te gebruiken om vellen met complexe circuits op rekbare oppervlakken te plaatsen. We hebben het idee op circuitniveau uitgebreid om het hele circuitsysteem zo dun mogelijk te maken, zegt Rogers. De hele dikte is 1,5 micron, en dat omvat het plastic substraat, metallisatie, silicium, diëlektrica - alles. Een circuit met die dunne vormfactor is natuurlijk buigbaar, alleen door de mechanica.
Buigbare elektronica is niet nieuw: onderzoekers hebben eerder circuits op plastic vellen gestempeld, afgedrukt en gespoten. Deze circuits zijn echter gemaakt van organische halfgeleidermaterialen - handig voor toepassingen zoals transistors in oprolschermen, maar gewoon te traag om te worden gebruikt voor complexere computers.
In 2005 vond Rogers een manier om monokristallijn silicium - het soort dat wordt gebruikt om computerchips te maken - te vouwen en uit te rekken door ultradunne linten ervan op gespannen rubberachtige substraten te kleven en het rubber vervolgens op zijn plaats te laten klikken. (Zie Rekbaar silicium .) Omdat het silicium zo dun was - slechts een paar honderd nanometer dik - bezweek het, zonder te breken, tot golven op het rubber die steeds weer opnieuw konden worden uitgerekt.
Multimedia
Zie het knikken van een ultradun siliciumcircuitcomponent.
Het nieuwe werk maakt gebruik van die ultradunne geometrie om twee soorten circuits te maken. Eén type is alleen opvouwbaar: circuits op basis van silicium werden op ongespannen plastic vellen geplaatst, wat resulteerde in circuits die kunnen worden opgevouwen als een stuk papier. Om ervoor te zorgen dat het circuit goed werkt, ongeacht in welke richting het wordt gedraaid of gebogen, plaatsen de onderzoekers het silicium, of welk deel van het circuit ook het meest kwetsbaar is, op een afstand tussen de boven- en onderkant van het circuitblad die de minste hoeveelheid spanning. Door de fragiele componenten van het circuit op de juiste plaats in het circuitblad te plaatsen, wordt de elektronica geoptimaliseerd en kunnen ze net zo goed werken als die op een solide wafer, zegt Rogers.
De onderzoekers maakten een tweede type circuit door de geoptimaliseerde circuitplaten te nemen en deze te verlijmen op voorgerekt rubber dat in beide richtingen was uitgeschoven. Wanneer het rubber kan ontspannen, knikt de siliconenlaag in een complex, golvend patroon, zegt Rogers. We begrijpen volledig, door middel van uitgebreide analytische en computationele modellering die in het artikel wordt gepresenteerd, hoe die golvende vormen zich vormen en hoe de lay-outs van de circuits ... de ruimtelijke geometrieën van [de golven] bepalen, zegt hij. Hoewel de opvouwbare circuits volledig zijn geoptimaliseerd, zegt hij dat zijn team nog steeds werkt aan het optimaliseren van de uitrekbare circuits. Omdat de onderzoekers posities over het circuit kunnen lokaliseren waar de golvende structuren zich zullen vormen wanneer het rubber wordt losgelaten, zegt Rogers, kunnen ze deze locaties zo kiezen dat ze geen fragiele of spanningsgevoelige componenten van het circuit overlappen. Dit aspect is een verfijning van het huidige werk, merkt hij op, en het zal in een toekomstig artikel verschijnen.
Het onderzoek biedt een volledig nieuw circuitconcept, zegt Zhenqiang Ma , een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Ma heeft eerder ultrasnelle siliciumtransistors gebouwd op buigbare substraten, die werken op hoge frequenties, waardoor ze bruikbaar zijn voor antennes die bijvoorbeeld op de vleugels van vliegtuigen zijn gebouwd. (Zie Recordbrekende snelheid voor flexibel silicium.) Hoewel de transistors van Rogers langzamer zijn, hebben zijn geïntegreerde schakelingen het voordeel dat ze zijn ontworpen met de golvende geometrie van dun silicium in gedachten, zodat ze kunnen worden geoptimaliseerd op een rekbaar substraat.
Rogers zegt dat neurowetenschap een gebied is waarop de opvouwbare, rekbare circuits nuttig kunnen zijn. (Zie TR10: Personalised Medical Monitors .) Hij werkt aan een project dat het mogelijk zou kunnen maken dat een dunne laag elektronica zich om de hersenen wikkelt en elektrische activiteit controleert op indicatoren voor toekomstige aanvallen bij mensen met epilepsie. Bovendien bouwen Rogers en zijn collega's chirurgische latexhandschoenen met geïntegreerde elektronica die detectie functioneel kunnen toevoegen of, in sommige gevallen, tactiele feedback kunnen geven voor het trainen van chirurgische studenten.
Er zijn veel toepassingen voor deze nieuwe soorten schakelingen, zegt Ma. In sommige van de toepassingen ... zijn rekbare en opvouwbare geïntegreerde schakelingen misschien de enige keuze. Hij voegt eraan toe dat het nieuwe concept van geïntegreerde schakelingen een belangrijke lacune in de toepassing heeft opgevuld die starre, op chips gebaseerde schakelingen niet kunnen opvullen.