Растяжимая электроника так и льнёт к телу
Дабы проводники и электронные схемы возможно было встраивать в одежду либо разные устройства, надеваемые на тело, они должны быть не только эластичными, но и весьма эластичными. Что не всегда одно да и то же. Но, как выяснилось, при помощи относительно несложного приёма возможно достигнуть кроме того 100-процентной упругой растяжимости проводников.
Представьте соединительные провода в схеме, каковые возможно без повреждений растягивать раза в полтора, в противном случае и в два, выполненные из материала с хорошей электрической проводимостью. Такие показатели сулят электронным устройствам новые практические особенности. Так как ясно, что подобная электроника способна куда лучше прилегать к телу, отвечая на все его перемещения.
Увы, до сих пор растяжимой электроники мир не видел, не смотря на то, что примеров эластичных схем было достаточно.
Это собственного рода новое измерение гибкости и открыли бельгийские учёные из Межуниверситетского центра микроэлектроники (Interuniversity Microelectronics Centre) и лаборатории микросистем группы тонкоплёночных компонентов университета Гента (TFCG Microsystems Lab): Доменик Бросто (Dominique Brosteaux), Фабрис Аксиза (Fabrice Axisa), Ева Де Лирснайдер (Eva De Leersnyder), Фредерик Боссейт (Frederick Bossuyt), Марио Гонсалес (Mario Gonzalez) и Ян Ванфлетерен (Jan Vanfleteren).
Их проект так и именуется: «Растяжимая электроника» (Stretchable electronics).
Демонстрационная схема со светодиодами, созданная бельгийцами, не только не опасается воды, но разрешает вытягивать себя, как будто бы жевательная резинка (фото TFCG Microsystems Lab-Ghent University).
Мы уже не удивляемся дисплеям и экспериментальным микросхемам, каковые возможно сгибать как узкий лист пластика (а в собственной базе это и имеется пластик — вот лишь кое-какие примеры: 1,2,3). Лишь при попытке сколь-нибудь заметно растянуть их в стороны, такие схемы будут неизбежно повреждены. А вот компоненты схем, образцы которых создали в Бельгии, будут трудиться как ни в чём не бывало.
Впечатляет в данной новинке кроме того не сама эластичность, а её величина. Умелые устройства, созданные в Генте, продемонстрировали растяжимость в 50%, а иные кроме того достигли без неприятностей показателя более 100%, другими словами разрешили вытягивать себя более чем в два раза от начальной длины.
Как именно? Всё дело в новой разработке изготовления схем, о которой, к слову, её авторы поведали в статье в издании Electron Device Letters.
Сетка из растяжимых проводников, соединяющих чипы в узлах, разрешит растягивать и скручивать готовое изделие практически любым образом (иллюстрация TFCG Microsystems Lab-Ghent University).
Вспомните, какой твёрдой и жёсткой есть сталь. Но стоит из неё свить пружину, как получается упругий элемент, талантливый значительно менять собственную длину. В новой технологии использован схожий принцип, лишь «пружины» не трёхмерные, а плоские.
Базой для эластичной электроники помогают узкие полосы силикона (правильнее — полидиметилсилоксана). В их толщу исследователи имплантировали проводки из золота толщиной всего 4 микрометра, покрытого (для обеспечения лучшей спайки контактов) слоем никеля толщиной 2 микрометра.
Золотые нити сгруппированы по четыре проводника шириной 15 микрометров. А такие проводящие дорожки, со своей стороны, формируют в новых схемах меандры (либо плоский волнообразный рисунок) с шагом 1,1 миллиметра в нерастянутом состоянии и 1,5 миллиметра и более — в состоянии натяжения.
Меандры из весьма узких проводков в свободном и растянутом состоянии. Их подковообразная форма была выбрана по окончании последовательности опытов и, как утверждают исследователи, разрешает минимизировать механическое напряжение (фото TFCG Microsystems направляться-Ghent University).
Течение тока в растянутом устройстве нисколько не прерывается. Кроме того электрическое сопротивление проводов изменяется не более чем на 5%.
Авторы изобретения утверждают, что узкие полосы силикона помогают одновременно и изолятором (устройства возможно окунать в воду), и заодно заменяют собой монтажную плату.
Наряду с этим вовнутрь полимера возможно вставлять самые разные электронные компоненты, будь то датчики, антенны, излучатели либо микрочипы.
Полоса со светодиодами при большем повышении — виден узор из проводников. Внизу: эластичный электронный термометр (фотографии TFCG Microsystems Lab-Ghent University).
Легко представить, как прямоугольная сетка аналогичных «резиновых» соединений возможно встроена в громадный узкий страницу силикона либо схожего упругого материала. В каждом узле таковой сетки может размешаться по микросхеме либо датчику.
Причём авторы предусмотрели в собственной технологии «принцип формовки». Содержится он в следующем. В то время, когда изготавливается силиконовая база для устройства, отмечаются участки, где в будущем будут встроены жёсткие компоненты (чипы, батарейки).
В этих местах пласт силикона делают заметно толще простого, так локально в том месте значительно уменьшается эластичность, но растёт прочность. А в целом устройство сохраняет собственные эластичные особенности, не обращая внимания на наличие жёстких «островков».
Силиконовую «плату» предложено вырабатывать в правильном соответствии с будущим наполнением, другими словами — твёрдыми подробностями устройства (иллюстрация TFCG Microsystems Lab-Ghent University).
Первые образцы эластичной электроники имеют длину (и ширину) порядка нескольких сантиметров.
Бельгийцы изготовили медицинский термометр, что возможно закреплять на лбу больного как эластичную повязку, растяжимую влагонепроницаемую схему с комплектом светодиодов (они ничего особого не делают, возможности разработки) и ещё — влагонепроницаемую катушку индуктивности со светодиодом.
Катушка принимает энергию от внешнего излучателя, скажем, через воду (ткани организма, одежду и тому подобное). Различные сферы применения таковой дистанционной подпитки устройства нетрудно представить в области медицинской техники.
Принцип Stretchable electronics должен быть распространён на три родственных проекта (делаемых на данный момент университетом Гента в содружестве с рядом вторых научных организаций), либо в три группы устройств: это уже не первый год развиваемый BioFlex (Biocompatible Flexible Electronic Circuits — биологически совместимые эластичные электронные схемы) и более свежие STELLA (Stretchable Electronics for Large Area Applications — эластичная электроника для широкой сферы применения) и SWEET (Stretchable and Washable Electronics for Embedding in Textiles — эластичная и водостойкая электроника для встраивания в текстиль).
Так может смотреться многослойное эластичное устройство BioFlex. Синим цветом продемонстрирован чип, жёлтым — проводники, сопротивления, конденсатор и излучатель, зелёным — датчик (иллюстрация с сайта elis.ugent.be).
Увидим, свойство нормально переносить действие воды окажется нужной не только в электронике для одежды (которую возможно будет запихивать в стиральную машину), но и в медицинских аппаратах, каковые нужно стерилизовать перед повторным применением.
На данный момент бельгийские новаторы проектируют целую линейку устройств, выполненных по разработке Stretchable electronics. В скором будущем они обещают продемонстрировать публике растягиваемые электронные часы, нагреватель, антенны а также волноводы.
