211service.com
Sammenfoldelige, strækbare kredsløb
Forskere ved University of Illinois, Urbana Champaign og Northwestern University i Evanston, IL, har vist, at elektriske kredsløb kan laves til at folde og strække og stadig matche ydeevnen af kredsløb bygget på stive wafere. Disse bøjelige kredsløb er lavet af tynde plader af silicium på plastik eller gummi og kan bane vejen for applikationer som bærbare computere og implanterbare sundhedsovervågningssystemer.
Stræk silicium: Det øverste billede er af et snoet siliciumkredsløb på en fleksibel polymer. Nedenfor er der optiske mikrofotografier af invertere - kredsløbskomponenter - fra ovenstående kredsløb. Krusningerne i kredsløbet skyldes, at det blev fæstnet til polymeren, når polymeren blev strakt. Set her er polymeren i en afslappet tilstand.
John Rogers , professor i materialevidenskab ved University of Illinois, og hans kolleger har demonstreret, at det er muligt at bruge ultratyndt silicium til at bygge hele plader af foldbare og strækbare kredsløb lavet af enheder som transistorer, forstærkere og logiske porte. Resultaterne blev offentliggjort i denne uge Videnskab . Tidligere lavede Rogers foldbare og strækbare bånd af siliciumtransistorer, men det nye arbejde viser, at det er muligt at bruge teknikken til at sætte ark af komplekse kredsløb på strækbare overflader. Vi udvidede tanken på kredsløbsniveau for at gøre hele kredsløbssystemet så tyndt som muligt, siger Rogers. Hele tykkelsen er 1,5 mikron, og det inkluderer plastsubstratet, metallisering, silicium, dielektrikum - alt. Et kredsløb med den tynde formfaktor kan naturligvis bøjes bare af mekanikken.
Bøjelig elektronik er ikke nyt: Forskere har tidligere stemplet, printet og sprøjtet kredsløb på plastikplader. Imidlertid er disse kredsløb lavet af organiske halvledermaterialer - nyttige til applikationer som transistorer i roll-up-skærme, men simpelthen for langsomme til at blive brugt til mere kompleks databehandling.
I 2005 fandt Rogers en måde at lave enkeltkrystallinsk silicium - den slags, der bruges til at lave computerchips - til at folde og strække ved at klæbe ultratynde bånd af det til anstrengte gummilignende underlag og derefter lade gummiet klikke på plads igen. (Se strækbart silicium.) Fordi silicium var så tyndt – kun et par hundrede nanometer tykt – bøjede det sig uden at knække til bølger på gummiet, der kunne trækkes ud igen og igen.
Multimedier
Se knækningen af en ultratynd siliciumkredsløbskomponent.
Det nye værk udnytter den ultratynde geometri til at lave to typer kredsløb. En type er blot foldbar: Siliciumbaserede kredsløb blev placeret på uanstrengte plastikplader, hvilket resulterede i kredsløb, der kan foldes sammen som et stykke papir. For at sikre, at kredsløbet ville fungere godt, uanset hvilken retning det er snoet eller bøjet, placerer forskerne silicium, eller hvilken del af kredsløbet, der er mest skrøbeligt, i en afstand mellem toppen og bunden af kredsløbsarket, der oplever mindst mængden af belastning. At placere de skrøbelige komponenter i kredsløbet på det passende sted i kredsløbsarket optimerer elektronikken og giver dem mulighed for at fungere lige så godt som dem på en solid wafer, siger Rogers.
Forskerne lavede en anden type kredsløb ved at tage de optimerede kredsløbsplader og binde dem til forstrakt gummi, der blev forlænget i begge retninger. Når gummiet får lov til at slappe af, spænder siliciumlaget i et komplekst, bølget mønster, siger Rogers. Vi forstår fuldstændigt, gennem omfattende analytisk og beregningsmæssig modellering præsenteret i papiret, hvordan disse bølgede former dannes, og hvordan layouterne af kredsløbene ... bestemmer [bølgernes] rumlige geometrier, siger han. Mens de foldbare kredsløb er fuldt optimeret, siger han, at hans team stadig arbejder på at optimere de strækbare kredsløb. Da forskerne kan lokalisere positioner på tværs af kredsløbet, hvor de bølgede strukturer dannes, når gummiet frigives, siger Rogers, at de kan vælge disse steder, så de ikke overlapper nogen skrøbelige eller belastningsfølsomme komponenter i kredsløbet. Dette aspekt er en forfining af det nuværende arbejde, bemærker han, og det vil blive vist i en fremtidig papir.
Forskningen byder på et helt nyt kredsløbskoncept, siger Zhenqiang Ma , professor i elektroteknik og datalogi ved University of Wisconsin-Madison. Ma har tidligere bygget ultrahurtige siliciumtransistorer på bøjelige substrater, som opererer ved høje frekvenser, hvilket gør dem anvendelige til antenner bygget på vingerne af fly, for eksempel. (Se Rekord-Breaking Speed for Flexible Silicon.) Mens Rogers' transistorer er langsommere, har hans integrerede kredsløb fordelen af at være designet med tynd siliciums bølgede geometri i tankerne, så de kan optimeres på et strækbart underlag.
Rogers siger, at et område, hvor de foldbare, strækbare kredsløb kunne være nyttige, er neurovidenskab. (Se TR10: Personalized Medical Monitors.) Han arbejder på et projekt, der kunne gøre det muligt for et tyndt ark elektronik at vikle sig rundt om hjernen, og overvåge elektrisk aktivitet for indikatorer for fremtidige anfald hos mennesker med epilepsi. Derudover bygger Rogers og hans kolleger kirurgiske latexhandsker med integreret elektronik, der kan tilføje sansning funktionelt eller i nogle tilfælde give taktil feedback til træning af kirurgiske studerende.
Der er mange anvendelsesmuligheder for disse nye typer kredsløb, siger Ma. I nogle af applikationerne … kan strækbare og foldbare integrerede kredsløb være det eneste valg. Han tilføjer, at det nye integrerede kredsløbskoncept har udfyldt et vigtigt applikationshul, som stive, chipbaserede kredsløb ikke kan udfylde.