Растяжимая электроника

Демонстрационная схема со светодиодами, созданная бельгийцами, не только не боится воды, но позволяет вытягивать себя, словно жевательная резинка (фото TFCG Microsystems Lab-Ghent University).

Представьте соединительные провода в схеме, которые можно без повреждений растягивать раза в полтора, а то и в два, выполненные из материала с хорошей электрической проводимостью. Такие показатели сулят электронным устройствам новые практические свойства. Ведь ясно, что подобная электроника способна куда лучше прилегать к телу, отвечая на все его движения.

Увы, до сих пор растяжимой электроники мир не видел, хотя примеров гибких схем было предостаточно.

Это своего 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).

Сетка из растяжимых проводников, соединяющих чипы в узлах, позволит растягивать и скручивать готовое изделие почти любым образом (иллюстрация TFCG Microsystems Lab-Ghent University).

Их проект так и называется: "Растяжимая электроника" (Stretchable electronics).

Мы уже не удивляемся экспериментальным микросхемам и дисплеям, которые можно сгибать как тонкий лист пластика. Только при попытке сколь-нибудь заметно растянуть их в стороны, такие схемы будут неизбежно повреждены. А вот компоненты схем, образцы которых создали в Бельгии, будут работать как ни в чём не бывало.

Впечатляет в этой новинке даже не сама эластичность, а её величина. Опытные устройства, созданные в Генте, показали растяжимость в 50%, а иные даже достигли без проблем показателя более 100%, то есть позволили вытягивать себя более чем вдвое от первоначальной длины.

Меандры из очень тонких проводков в свободном и растянутом состоянии. Их подковообразная форма была выбрана после ряда опытов и, как утверждают исследователи, позволяет минимизировать механическое напряжение (фото TFCG Microsystems Lab-Ghent University).

Каким образом? Всё дело в новой технологии изготовления схем.

Вспомните, какой жёсткой и твёрдой является сталь. Но стоит из неё свить пружину, как получается упругий элемент, способный существенно менять свою длину. В новой технологии использован схожий принцип, только "пружины" не трёхмерные, а плоские.

Основой для эластичной электроники служат тонкие полоски силикона (точнее — полидиметилсилоксана). В их толщу исследователи имплантировали проводки из золота толщиной всего 4 микрометра, покрытого (для обеспечения лучшей спайки контактов) слоем никеля толщиной 2 микрометра.

Полоска со светодиодами при большем увеличении — виден узор из проводников. Внизу: эластичный электронный градусник (фотографии TFCG Microsystems Lab-Ghent University).

Золотые нити сгруппированы по четыре проводника шириной 15 микрометров. А такие проводящие дорожки, в свою очередь, формируют в новых схемах меандры (или плоский волнообразный рисунок) с шагом 1,1 миллиметра в нерастянутом состоянии и 1,5 миллиметра и более — в состоянии натяжения.

Течение тока в растянутом устройстве нисколько не прерывается. Даже электрическое сопротивление проводов меняется не более чем на 5%.

Авторы изобретения утверждают, что тонкие полоски силикона служат одновременно и изолятором (устройства можно окунать в воду), и заодно заменяют собой монтажную плату.

Силиконовую "плату" предложено формировать в точном соответствии с будущим наполнением, то есть — жёсткими деталями устройства (иллюстрация TFCG Microsystems Lab-Ghent University).

При этом внутрь полимера можно вставлять самые различные электронные компоненты, будь то датчики, антенны, излучатели или микрочипы.

Легко представить, как прямоугольная сетка подобных "резиновых" соединений может быть встроена в большой тонкий лист силикона или схожего упругого материала. В каждом узле такой сетки может располагаться по микросхеме или датчику.

Причём авторы предусмотрели в своей технологии "принцип формовки". Заключается он в следующем. Когда изготавливается силиконовая основа для устройства, отмечаются участки, где в дальнейшем будут встроены твёрдые компоненты (чипы, батарейки).

Так может выглядеть многослойное гибкое устройство BioFlex. Синим цветом показан чип, жёлтым — проводники, сопротивления, излучатель и конденсатор, зелёным — датчик (иллюстрация с сайта elis.ugent.be).

В этих местах пласт силикона делают заметно толще обычного, так локально там уменьшается эластичность, зато растёт прочность. А в целом устройство сохраняет свои эластичные свойства, несмотря на наличие твёрдых "островков".

Первые образцы эластичной электроники имеют длину (и ширину) порядка нескольких сантиметров.

Бельгийцы изготовили медицинский термометр, который можно закреплять на лбу пациента как эластичную повязку, растяжимую водонепроницаемую схему с набором светодиодов (они ничего особенного не делают, просто демонстрируют возможности технологии) и ещё — водонепроницаемую катушку индуктивности со светодиодом.

Катушка воспринимает энергию от внешнего излучателя, скажем, через воду (ткани организма, одежду и тому подобное). Разные сферы применения такой дистанционной подпитки устройства нетрудно представить в области медицинской техники.

Принцип Stretchable electronics должен быть распространён на три родственных проекта (выполняемых сейчас университетом Гента в содружестве с рядом других научных организаций), или в три группы устройств: это уже не первый год развиваемый BioFlex (Biocompatible Flexible Electronic Circuits — биологически совместимые гибкие 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).

Заметим, способность спокойно переносить воздействие воды окажется полезной не только в электронике для одежды (которую можно будет запихивать в стиральную машину), но и в медицинских аппаратах, которые необходимо стерилизовать перед повторным применением.

В настоящее время бельгийские новаторы проектируют целую линейку устройств, выполненных по технологии Stretchable electronics. В ближайшее время они обещают показать публике растягиваемые электронные часы, нагреватель, антенны и даже волноводы.