Эластичные электронные схемы имеют решающее значение для мягкой робототехники, носимых технологий и биомедицинских приложений. Однако существующие ранее способы изготовления ограничивали их использование.
Перед исследователями стоит сложная задача разработать материал и процесс его изготовления, который позволит этим устройствам быть эластичными, долговечными и технологичными для серийного производства.
Одной из самых больших проблем в этой области электроники является надежное соединение растягиваемых проводников с жесткими элементами такими как полупроводники, резисторы, конденсаторы, светодиоды и пр.
Проблема в том, что когда поддающиеся растяжению материалы изгибаются и удлиняются, то на границе раздела элементов возникает большая сила сдвига, которая разрывает соединение и схема выходит со строя.
В настоящее время существует различные стратегии производства растягиваемой электроники. Могут использоваться материалы, которые по своей природе растягиваются, например, резина, которая может выдерживать большие деформации. Однако у таких материалов имеется высокое электрическое сопротивление.
Другой метод - сделать неэластичные материалы растяжимыми, используя инновационный дизайн. Например, хрупкие полупроводниковые материалы, такие как кремний, можно выращивать на предварительно растянутой поверхности, а затем дать ей сжаться, создавая волны выпучивания. В принципе, технику складывания, вдохновленную оригами, можно также использовать для изготовления складных электронных устройств.
Существует и перспективная стратегия, которая включает соединение «островов» из жестких проводящих материалов с помощью гибких соединений, таких как мягкие или жидкие металлы.
Исследователи из Стэнфорда потратили почти два десятилетия, пытаясь разработать похожие на кожу интегральные схемы, которые можно постоянно растягивать, складывать, сгибать и скручивать, а затем каждый раз без сбоев возвращать обратно к первоначальной геометрической форме. Такие схемы предвещают широкие перспективы электронных носимых и имплантируемых изделий, но на их пути всегда стояло одно препятствие, как осуществить получение материала по совершенно новой технологии в количествах, достаточных для коммерческого использования.
В новом исследовании ученые напечатали растяжимые, но прочные интегральные схемы на эластичных, похожих на кожу материалах, используя то же оборудование, которое предназначено для изготовления твердых кремниевых чипов. Это очень важно, поскольку сможет значительно облегчить переход к коммерциализации путем смены производства изготовления жестких цепей на растягиваемые.
Разработанный процесс позволил исследователям втиснуть более 40 000 транзисторов в один квадратный сантиметр растягиваемой схемы. Но команда считает, что в перспективе их количество можно удвоить. Хотя это все еще далеко от миллиардов транзисторов, которые можно разместить на такой же площади в кремниевых микросхемах, уже этого достаточно для создания простых схем для датчиков на коже, а также имплантируемой биоэлектроники с приложениями, которые на сегодняшний день даже трудно себе представить.
Предложенный метод увеличивает плотность эластичных транзисторов более чем в 100 раз по сравнению с тем, что было достигнуто ранее. И он делает это с высокой однородностью элементов, не жертвуя никакими электронными или механическими характеристиками.
Основным преимуществом данного процесса является то, что его можно выполнять с помощью того же оборудования, которое применяется в настоящее время для изготовления кремниевых чипов. В этом процессе, известном как фотолитография, используется ультрафиолетовый свет для передачи сложного, электрически активного геометрического рисунка - схемы - на твердую подложку слой за слоем. Это сложный, многоэтапный процесс нанесения покрытия, экспонирования светом, химического травления и ополаскивания, оставляющий после себя необходимый контур.
На данный момент метод все еще находится в стадии тестирования и разработки, но возможно скоро появится доступная растягиваемая электроника с уникальными свойствами.
