211service.com
Vikbara, töjbara kretsar
Forskare vid University of Illinois, Urbana Champaign och Northwestern University, i Evanston, IL, har visat att elektriska kretsar kan göras för att vika och sträcka sig och fortfarande matcha prestandan hos kretsar byggda på styva wafers. Tillverkade av tunna ark av kisel på plast eller gummi, kan dessa böjbara kretsar bana väg för applikationer som bärbara datorer och implanterbara hälsoövervakningssystem.
Stretching silikon: Den översta bilden är av en tvinnad kiselkrets på en flexibel polymer. Nedanför finns optiska mikrofotografier av växelriktare – kretskomponenter – från ovanstående krets. Krusningarna i kretsen beror på att den fästes på polymeren när polymeren sträcktes. Sedd här är polymeren i ett avslappnat tillstånd.
John Rogers , professor i materialvetenskap vid University of Illinois, och hans kollegor har visat att det är möjligt att använda ultratunt kisel för att bygga hela ark av vikbara och töjbara kretsar gjorda av enheter som transistorer, förstärkare och logiska grindar. Resultaten publicerades i veckans Vetenskap . Tidigare har Rogers gjort vikbara och töjbara band av kiseltransistorer, men det nya arbetet visar att det är möjligt att använda tekniken för att sätta ark av komplexa kretsar på töjbara ytor. Vi utökade tanken på kretsnivå för att göra hela kretssystemet så tunt som möjligt, säger Rogers. Hela tjockleken är 1,5 mikron, och det inkluderar plastsubstratet, metallisering, kisel, dielektrikum – allt. En krets med den tunna formfaktorn är naturligtvis böjbar bara av mekaniken.
Böjbar elektronik är inte nytt: forskare har tidigare stämplat, tryckt och sprayat kretsar på plastark. Dessa kretsar är dock gjorda av organiska halvledarmaterial - användbara för applikationer som transistorer i roll-up-skärmar, men helt enkelt för långsamma för att användas för mer komplex beräkning.
2005 hittade Rogers ett sätt att göra enkristallint kisel - den typ som används för att göra datorchips - vika och sträcka genom att fästa ultratunna band av det på spända gummiliknande underlag och sedan låta gummit snäppa tillbaka på plats. (Se Stretchable Silicon .) Eftersom kislet var så tunt – bara några hundra nanometer tjockt – knäckte det, utan att gå sönder, till vågor på gummit som kunde sträckas ut igen och igen.
Multimedia
Se knäckningen av en ultratunn silikonkretskomponent.
Det nya verket utnyttjar den ultratunna geometrin för att göra två typer av kretsar. En typ är bara vikbar: kiselbaserade kretsar placerades på oträckta plastark, vilket resulterade i kretsar som kan vikas upp som ett papper. För att säkerställa att kretsen skulle fungera bra oavsett vilken riktning den vrids eller böjs placerar forskarna kislet, eller vilken del av kretsen som är ömtålig, på ett avstånd mellan toppen och botten av kretsarket som upplever minst mängden påkänning. Att placera de ömtåliga komponenterna i kretsen på lämplig plats i kretsarket optimerar elektroniken och låter dem fungera lika bra som de på en solid wafer, säger Rogers.
Forskarna gjorde en andra typ av krets genom att ta de optimerade kretsarken och binda dem till försträckt gummi som sträcktes ut i båda riktningarna. När gummit får slappna av spänns kiselskiktet i ett komplext vågmönster, säger Rogers. Vi förstår fullständigt, genom omfattande analytisk och beräkningsmodellering som presenteras i artikeln, hur dessa vågiga former bildas och hur kretsarnas layouter ... bestämmer [vågornas] rumsliga geometrier, säger han. Medan de vikbara kretsarna är helt optimerade, säger han att hans team fortfarande arbetar med att optimera de töjbara kretsarna. Eftersom forskarna kan lokalisera positioner över kretsen där de vågiga strukturerna kommer att bildas när gummit släpps, säger Rogers, kan de välja dessa platser så att de inte överlappar några ömtåliga eller spänningskänsliga komponenter i kretsen. Denna aspekt är en förfining av det nuvarande arbetet, konstaterar han, och det kommer att visas i en framtida tidning.
Forskningen erbjuder ett helt nytt kretskoncept, säger Zhenqiang Ma , en elektroteknik- och datavetenskapsprofessor vid University of Wisconsin-Madison. Ma har tidigare byggt ultrasnabba kiseltransistorer på böjbara substrat, som arbetar vid höga frekvenser, vilket gör dem användbara för antenner byggda på flygplans vingar, till exempel. (Se rekordhastighet för flexibelt kisel.) Medan Rogers transistorer är långsammare, har hans integrerade kretsar fördelen av att vara designade med den vågiga geometrin hos tunt kisel i åtanke, så att de kan optimeras på ett stretchigt underlag.
Rogers säger att ett område där de vikbara, töjbara kretsarna kan vara användbara är neurovetenskap. (Se TR10: Personliga medicinska monitorer.) Han arbetar med ett projekt som skulle kunna göra det möjligt för ett tunt ark av elektronik att svepa runt hjärnan, övervaka elektrisk aktivitet för indikatorer på framtida anfall hos personer med epilepsi. Dessutom bygger Rogers och hans kollegor operationshandskar av latex med integrerad elektronik som kan lägga till avkänning funktionellt eller, i vissa fall, ge taktil feedback för att träna kirurgistudenter.
Det finns många applikationer för dessa nya typer av kretsar, säger Ma. I vissa av applikationerna... kan töjbara och vikbara integrerade kretsar vara det enda valet. Han tillägger att det nya integrerade kretskonceptet har fyllt ett viktigt applikationslucka som stela, chipbaserade kretsar inte kan fylla.